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DD264091A1 - CAPACITED MAGNETORESISTIVE COMPONENT FOR POTENTIAL-FREE CURRENT MEASUREMENT - Google Patents

CAPACITED MAGNETORESISTIVE COMPONENT FOR POTENTIAL-FREE CURRENT MEASUREMENT Download PDF

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DD264091A1
DD264091A1 DD87306407A DD30640787A DD264091A1 DD 264091 A1 DD264091 A1 DD 264091A1 DD 87306407 A DD87306407 A DD 87306407A DD 30640787 A DD30640787 A DD 30640787A DD 264091 A1 DD264091 A1 DD 264091A1
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DD87306407A
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Gunter Moehler
Fritz Dettmann
Stephan Linke
Uwe Loreit
Peter Pertsch
Manfred Kohlmeyer
Joachim Mitzner
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Halbleiterwerk Veb
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Abstract

Die Erfindung beinhaltet einen verkapselten magnetoresistiven Sensor, der zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselstroemen in einem weiteren Frequenzbereich geeignet ist. Der Chip mit dem magnetoresistiven Sensor ist dabei isoliert auf einem leitfaehigen Chiptraeger angeordnet, der mit mindestens zwei Pins des Bauelementes verbunden und vom zu messenden Strom durchflossen ist, so dass dessen Magnetfeld auf den Sensor einwirken kann. Das Wesen der Erfindung ist der Figur 1 zu entnehmen. Fig. 1The invention includes an encapsulated magnetoresistive sensor, which is suitable for the potential-free measurement of DC and Wechselstroemen in a wider frequency range. The chip with the magnetoresistive sensor is arranged in isolation on a leitfaehigen chip carrier, which is connected to at least two pins of the device and flows through the current to be measured, so that its magnetic field can act on the sensor. The essence of the invention is shown in FIG. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Das magnetoresistive Bauelement wird zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt. Weiterhin kann es zur Leistungsmessung angewendet werden.The magnetoresistive device is used for potential-free measurement of DC and AC currents in a wide frequency range. Furthermore, it can be used for power measurement.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Anordnungen zum Einsatz magnetoresistiver Sensoren zur potentialfreien 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 155220 wird das dadurch erreicht, daß über den magnetoresistiven Widerstandsschichtstreifen das Sensors, von diesen durch eine Dünnschichtisolation getrennt, ein Dünnschichtsteuerleiter angeordnet ist, der den zu messenden Strom führt. Diese Anordnung ist nur mit einem hohen Aufwand auf dünnschichttechriologischem Gebiet herstellbar und weist als Nachteile einen zu hohen Eingangswiderstand und eine zu geringe Isolationsfestigkeit zwischen Steuerleiter und magnetoresistivem Sensor auf.Arrangements for the use of magnetoresistive sensors for potential-free current measurement are known. In the arrangement must be taken to ensure that the magnetic field of the current to be measured acts in a defined manner on the sensor and so a safe power display is ensured. According to the patent DD-WP 155220 this is achieved in that the sensor, separated therefrom by a thin-film insulation, a thin-film control conductor is arranged over the magnetoresistive resistance layer strip, which leads the current to be measured. This arrangement can be produced only with great effort on dünnschichttechriologischem area and has disadvantages as a too high input resistance and too low insulation strength between control conductor and magnetoresistive sensor.

In einer anderen Anordnung zur potentialfreien Strommessung (VALVO Technische Information 840323) ist um den Stromleiter herum ein weichmagnetischer Ringkern angebracht. In einem Luftspalt, der den Ringkern unterbricht, befindet sich der magnetoresistive Sensor. Damit ist das Magnetfeld am Ort des Sensor näherungsweise unabhängig von der genauen Position des Stromleiters 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 treten andererseits besonders im niederfrequenten Bereich störende hysteretische Abschnitte in der Sensorkennlinie auf, die die eindeutige Zuordnung des Stromes zum Sensorausgangssignal unmöglich machen.In another arrangement for potential-free current measurement (VALVO Technical Information 840323), a soft-magnetic toroidal core is attached around the current conductor. In an air gap, which interrupts the toroidal core, there is the magnetoresistive sensor. Thus, the magnetic field at the location of the sensor is approximately independent of the exact position of the conductor in the toroidal core. This arrangement requires in addition to the effort associated with the ring production also a sensor design that allows the application of sufficiently narrow air gaps and which is difficult to produce because of the necessarily lying in the chip surface of the magnetoresistive sensor magnetic field direction. Furthermore, due to the properties of the ring core, the upper frequency limit of the current measurement is reduced. Due to the hardly avoidable hysteresis of the toroidal core, on the other hand, particularly in the low-frequency range, disturbing hysteretic portions occur in the sensor characteristic which make the unambiguous assignment of the current to the sensor output signal impossible.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Bauelement zur potentialfreien Strommessung zu schaffen, dessen magnetoresistiver Sensor einfach und billig herstellbar ist, das zuverlässig arbeitet und mit bekannten Bauteilen und Herstellungsverfahren der Mikroelektronik gefertigt werden kann.The object of the invention is to provide a device for potential-free current measurement, the magnetoresistive sensor is simple and inexpensive to produce, which works reliably and can be manufactured with known components and manufacturing processes of microelectronics.

Darlegung ries Wesens der ErfindungExplanation of the nature of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetoresistives Bauelement zur potentialfrs'en Strommessung anzugeben, das über einen genügenü 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. DieThe invention has for its object to provide a magnetoresistive device for Potentialfrs'en current measurement, which has a low enough input resistance, which has a sufficient insulation strength between input and output, the frequency of use is not limited by not necessarily related to the measuring principle effects and the No additional costly manufacturing steps of the thin-film technology needed. The

Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem varkapseiteii magnetoresistivon Bauelement mit einem Chipträge», der ganz oder teilweise aus leitfähigem Material besteht erflndungsgemäß dftr leitfähige Teil des Chipträgers von einem darüber befindlichen magnetoresistiven Sensor isoliert, mit mindestens zwei Pins des Bauelements verbunden und vom zu messenden Strom durchflossen ist. Bei dieser Anordnung wird der magnetoresistive Sensor durch das Magnetfeld des Stromes im leitfähigen Teil des Chipträgers ausgesteuert. Chipträger und Pin ι des Bauelementes bilden entweder ein zusammenhängendes Teil des gleichen Materials oder sie sind durch Bonddräht* miteinander verbunden. Damit ist ein genügend geringer Eingangswiderstand gewährleistet. Wegen der niedrigen Eingangsinduktivität gibt es keioe Einschränkung der Einsatzfrequenz durch die Einkopplung. Die Isolationsfestigkeit wird beispielsweise durch eine thermisch erzeugte SlCvSchicht auf dem Substrat 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 Magnetfeldverteilung, die für die maximale Sensorempfindlichkeit notwendig ist, dadurch realisiert, daß jedes Ende des Chipträgers mit zwei gegenüberliegenden Pins verbunden ist und der Strom jeweils Ober beide Pins eingespeist wird. Dabei ist die Breite des Chipträgers im Bereich des Sensors vorzugsweise gleich der Sensorbreite.The object is achieved in that in a varkapseiteii magnetoresistive device with a Chiptrag », which consists wholly or partly of conductive material Erflndungsgemäß dftr conductive part of the chip carrier isolated from a magnetoresistive sensor located above, connected to at least two pins of the device and the current to be measured is flowing through. In this arrangement, the magnetoresistive sensor is controlled by the magnetic field of the current in the conductive part of the chip carrier. Chip carrier and pin ι of the component form either a coherent part of the same material or they are connected by bonding wire *. This ensures a sufficiently low input resistance. Due to the low input inductance, there is no restriction of the use frequency by the coupling. The insulation resistance is achieved for example by a thermally generated SlCvSchicht on the substrate on which the sensor is or additionally by an insulating film between the chip and the chip carrier. In a particular embodiment of the device is a symmetrical and homogeneous in the region of the sensor magnetic field distribution, which is necessary for the maximum sensor sensitivity, realized in that each end of the chip carrier is connected to two opposite pins and the current is fed to both upper pins. In this case, the width of the chip carrier in the region of the sensor is preferably equal to the sensor width.

Aiisführungsbelsplel >Service Guide>

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Figur 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 Darsteiiung halber vergrößert gezeichnet. Wirkliche Sensorchips haben Abmessungen von etwa 1x1 mm2, während das komplette Bauelement etwa eine Länge von 10mm hat. In Figur 1 bestehen der Chipträger 1 und die Pins für die Stromeinspeisung 2 sowie die Pins für den Sensoranschhiß 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 isolierenden Folie 6 der Siliziumchip mit dem Sensor 3 angeordnet. Der Sensor ist eine Brückenschaltung aus vier magnetoresistiven Dünnschichtwiderständen 4, deren Längsrichtung mit der Längsrichtung der gezeichneten Widerstände übereinstimmt. Die Dünnschichtwiderstände 4 sind vom Siliziumchip 3 zusätzlich durch eine in der Zeichnung nicht enthaltene SiO2-Schicht isoliert. Damit ist durch diese Doppelisolation eine genügende Spannungsfestigkeit gegenüber dem stromleitenden Chipträger 1 gewährleistet. Die Sensorbrücke ist ül<tr 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 magnetoresistiven Dünnschichtwiderstände 4 erzeugt, was zu einem entsprechenden Signal am Ausgang des magnetoresistiven Sensors führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen der Chipträger 1 und die Pins für die Stromeinspeisung 2 zusammenhängend aus gleichem leitfähigen Material. Zur symmetrischen Verteilung des Magnetfeldes am Ort des Chips mit dem Sensor 3 ist der Chipträger 1 an beiden Enden mit je zwei gegenüberliegenden Pins für die Stromeinspeisung 2 verbunden. Damit auf den magnetoresistiven Sensor maximal mögliche Feld bei einem gegebenen Eingangsstrom wirkt und so die maximale Sensorempfindlichkeit realisiert wird, stimmen im Bereich des Chips mit dem Sensor 3 die Breite des Chips und des Chipträgers überein.The invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the accompanying drawing, Figure 1 shows the top view of a still encapsulated component. The drawing is not to scale. In particular, the silicon chip with the sensor 3 and the magnetoresistive thin-film resistors 4 located on it are shown enlarged for the sake of clarity. Real sensor chips have dimensions of about 1x1 mm 2 , while the complete device has a length of about 10mm. In FIG. 1, the chip carrier 1 and the pins for the current feed 2 and the pins for the sensor hook 7 are made of the same conductive material. The pins for power supply 2 are connected via bonding wires 5 with the chip carrier 1 low impedance. On the chip carrier 1, the silicon chip with the sensor 3 is arranged above an insulating film 6. The sensor is a bridge circuit of four magnetoresistive thin-film resistors 4, whose longitudinal direction coincides with the longitudinal direction of the drawn resistors. The thin-film resistors 4 are additionally insulated from the silicon chip 3 by an SiO 2 layer not contained in the drawing. Thus, a sufficient dielectric strength with respect to the current-conducting chip carrier 1 is ensured by this double insulation. The sensor bridge is contacted with the pins for the sensor connection 7 by way of bonding wires 5. When the measuring current is supplied, a magnetic field is generated across the chip carrier 1 at the location of the chip with the sensor 3 in the direction transverse to the longitudinal extent of the magnetoresistive thin film resistors 4, which leads to a corresponding signal at the output of the magnetoresistive sensor. In another embodiment of the invention, the chip carrier 1 and the pins for the power supply 2 consist of the same conductive material. For symmetrical distribution of the magnetic field at the location of the chip with the sensor 3, the chip carrier 1 is connected at both ends with two opposite pins for the power supply 2. So that the maximum possible field at a given input current acts on the magnetoresistive sensor and thus the maximum sensor sensitivity is realized, the width of the chip and of the chip carrier coincide in the area of the chip with the sensor 3.

Claims (7)

-ι- 26409t Patentansprüche:-ι- 26409t Claims: 1. Verkapseltes magnetoresistives Bauelement zur potentialfreien Strommessung mit einem Chipträger, der ganz oder teilweise aus leitfähigem Material besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der leitfähige Teil des Chipträgers (1) von einem darüber befindlichen magnetoresistiven Sensor (3) isoliert, mit mindestens zwei Pins (2) des Bauelementes verbunden und vom zu messenden Strom durchflossen ist.1. Encapsulated magnetoresistive device for potential-free current measurement with a chip carrier which consists wholly or partly of conductive material, characterized in that the conductive part of the chip carrier (1) isolated from a magnetoresistive sensor located above it (3), with at least two pins (2 ) of the component is connected and flows through the current to be measured. 2. Anordnung 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Isolation eine SiO2-Schicht auf dem Chip mit dem Sensor ist.2. Arrangement 1, characterized in that the insulation is a SiO 2 layer on the chip with the sensor. 3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) und dem Chipträger (1) eine isolierende Folie (6) befindet.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that between the chip with the magnetoresistive sensor (3) and the chip carrier (1) is an insulating film (6). 4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) durch einen isolierenden Kleber mit dem Chipträger (1) verbunden ist.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the chip with the magnetoresistive sensor (3) by an insulating adhesive to the chip carrier (1) is connected. 5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung einer symmetrischen Magnetfeldverteilung im Bauelement der Chipträger (1) an jedem Ende mit zwei gegenüberliegenden Pins (2) verbunden ist.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that for generating a symmetrical magnetic field distribution in the component of the chip carrier (1) is connected at each end with two opposite pins (2). 6. Anorndung nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen Chipträger (1) und Pins (2) durch Bonddrähte (5) hergestellt ist.6. Anorndung according to claim 1 or 5, characterized in that the connection between the chip carrier (1) and pins (2) by bonding wires (5) is made. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Breite des Chipträgers (1) direkt unter dem Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) mit dessen Breite übereinstimmt.7. Arrangement according to claim 1 or 5, characterized in that the width of the chip carrier (1) directly below the chip with the magnetoresistive sensor (3) coincides with its width.
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