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DE2948762C2 - Measuring transducer for measuring a magnetic field or a measuring current that generates the magnetic field - Google Patents

Measuring transducer for measuring a magnetic field or a measuring current that generates the magnetic field

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Publication number
DE2948762C2
DE2948762C2 DE2948762A DE2948762A DE2948762C2 DE 2948762 C2 DE2948762 C2 DE 2948762C2 DE 2948762 A DE2948762 A DE 2948762A DE 2948762 A DE2948762 A DE 2948762A DE 2948762 C2 DE2948762 C2 DE 2948762C2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transducer
magnetic
magnetic field
measuring
magnetic film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE2948762A
Other languages
German (de)
Other versions
DE2948762A1 (en
Inventor
Heinz Dipl.-El.-Ing. ETH Zug Lienhard
Gernot Ing.(Grad.) Baar Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Building Technologies AG
Original Assignee
LGZ Landis and Gyr Zug AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LGZ Landis and Gyr Zug AG filed Critical LGZ Landis and Gyr Zug AG
Publication of DE2948762A1 publication Critical patent/DE2948762A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE2948762C2 publication Critical patent/DE2948762C2/en
Expired legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Description

film aus ferroniagnetischcm magnetoresislivem Material, der einen Magneifcldkomparator bildet und an eine nicht dargestellte .Stromquelle angeschlossen ist. die einen in der Längsrichtung des Magnetfilms 1 fließenden Strom /„ in den Magnetfilm einspeist. Die leichte Magnetachse EA des Magnetfilms 1 schließt zur Längsrichtung und /u einem in der Längsrichtung an den Magnetfilm angelegten magnetischen Außenfeld Hj einen Winkel β ein.film made of ferroniagnetischcm magnetoresislivem material, which forms a magnetic comparator and is connected to a non-illustrated .Stromquelle. which feeds a current / "flowing in the longitudinal direction of the magnetic film 1 into the magnetic film. The easy magnetic axis EA of the magnetic film 1 forms an angle β to the longitudinal direction and / u to an external magnetic field Hj applied to the magnetic film in the longitudinal direction.

In einer /um Magnetfilm I parallelen Ebene ist eine als Flachspule ausgebildete Magnetspule 2 angeordnet, deren Leiterbahn eine rcchteckförmige Spirale bildet, wobei die einzelnen Windungen 3 in jenem Bereich, in welchem sie mit dem Magneifilm I magnetisch gekoppelt sind, senkrecht zur Längsrichtung des Magnetfi'ms 1 liegen. Die Magnetspule 2 führt einen alternierenden Vormagnclisierungsstrom /, mit definiertem Kurvcnverlauf. Dieser Vormagnctisierungssirom /, erzeugt in der Längsrichtung des Magnetfilms 1 ein Vormagnetisierungsfeld. Wird außerdem in der Längsrichtung des Magnetfilms 1 ein zu messendes Magnetfeld eingekoppelt, so entsteht in der Längsrichtung ein magnetisches Außenfeid Hj. das der Summe des zu messenden Magnetfeldes und des Vorrmignetisierungsfeldes entspricht. Im dargestellten Beispiel wird das /u messende Magnetfeld durch einen Meßstrom /„, erzeugt, der in einem Flachleitcr 4 senkrecht zur Längsrichtung des Magnetfilms 1 fließt. Der Magnetisierungsvektor M wird durch das Außenfeld Hj um den Winkel "* von der leichten Magnetachse EA weggedreht. In a plane parallel to / around the magnetic film I, a magnetic coil 2 designed as a flat coil is arranged, the conductor track of which forms a rectangular spiral, the individual turns 3 in the area in which they are magnetically coupled to the magnetic film I, perpendicular to the longitudinal direction of the magnetic film. ms 1 lie. The magnetic coil 2 carries an alternating pre-magnetization current /, with a defined curve profile. This pre-magnetization magnetic field generates a pre-magnetization field in the longitudinal direction of the magnetic film 1. If, in addition, a magnetic field to be measured is coupled in in the longitudinal direction of the magnetic film 1, a magnetic outer field Hj is created in the longitudinal direction, which corresponds to the sum of the magnetic field to be measured and the pre-magnetic field. In the example shown, the magnetic field measuring / u is generated by a measuring current / i, which flows in a flat conductor 4 perpendicular to the longitudinal direction of the magnetic film 1. The magnetization vector M is rotated away from the easy magnetic axis EA by the external field Hj by the angle "*.

Bei //., = 0 liegt der Magnetisierungsvektor M des Magnetfilms I in Richtung der leichten Magnetachse EA. ist also gegenüber der Längsrichtung des Magnetfilms 1 um den Winkel ,i gedreht. Steigt das magnetische Außenfeld Hj negativ — d. h. entgegengesetzt zur vorangehenden Ricniung — an. so wird der Magnetisierungsvektor M vorerst stelig weitergedreht, wobei der Winkel ι negativ ansteigt. Nach dem Überschreiten eines Stabilitätspunktes, der nach dem bekannten Stoner-Wohlfahrts-Modell bestimmbar ist. wird der Magnetisieruiigsvektor Munstetig, d. h. unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Außenfeldes Hj. über die harte Magnetachse HA hinaus weiiergedreht und nimmt sehr rasch eine neue, rn der Fig. I gestrichelt gezeichnete Gleichgewichtsposition ein. Hierbei ändert der Magnetfilm 1 seinen ohmsrhen Widerstand sprungartig, was sich in einem ausgeprägten, steilen Spannuiigssprung der am Magnetfilm 1 abfallenden Spannung äußert. Dieser Spannungssprung kann leicht delektiert werden und markiert den Nulldurchgang des Außenfeldes //., mit hoher Genauigkeit. Das unstetige Schalten des Magnetfilms 1 erfolgt zwar nicht exakt im Nulldurchgang des Außenfeldes //,. sondern bei einer Umschaltfeldstärke //.,,,. d. h. es entsteht eine Hysterese 2 W.,ii. Diese ist minimal für J = 45 und hängt ferner von der Anisotropiefeldstärke des magnetoresistiven Materials und von der sogenannten Entmagnetisierung ab. Eine kleine F.ntmagnetisieriing unc' damit eine kleine Hysterese bedingt, daß die Hlmdicke des Magnetfilms I sehr klein ist im Vergleich /ur BreiteWhen //., = 0, the magnetization vector M of the magnetic film I lies in the direction of the easy magnetic axis EA. is therefore rotated with respect to the longitudinal direction of the magnetic film 1 by the angle i. If the external magnetic field Hj increases negatively - ie opposite to the previous direction. the magnetization vector M is initially rotated further, with the angle ι increasing negatively. After a stability point has been exceeded, which can be determined according to the well-known Stoner welfare model. the magnetization vector M becomes discontinuous, ie independently of the rate of change of the external field Hj. , rotated beyond the hard magnet axis HA and very quickly assumes a new equilibrium position, shown in dashed lines in FIG. Here, the magnetic film 1 changes its ohmic resistance abruptly, which manifests itself in a pronounced, steep voltage jump in the voltage drop across the magnetic film 1. This voltage jump can easily be detected and marks the zero crossing of the outer field //., With high accuracy. The discontinuous switching of the magnetic film 1 does not take place exactly in the zero crossing of the external field // ,. but with a switching field strength //. ,,,. ie there is a hysteresis 2 W., ii. This is minimal for J = 45 and also depends on the anisotropy field strength of the magnetoresistive material and on the so-called demagnetization. A small amount of demagnetization and thus a small hysteresis means that the skin thickness of the magnetic film I is very small compared to its width

Im die entmagnetisierung niuti vcrn.tthUisMgb.ir klein, so kann ihr F.infhiß weilgehend kompensiert werden, wenn anstelle des Magnetfilms I zwei gleichartige, deckungsgleich angeordnete und durch eine dünne, magnetisch nichtleitende Isolierschicht getrennte Magneifiiii'c verwendet werden, wobei in jedem dieser Magnetfilme der Strom 1Zj A, fließt und vorzugsweise ji = 0 gewählt wird.In the demagnetization niuti vcrn.tthUisMgb.ir small, its infiltration can be compensated for if, instead of the magnetic film I, two similar, congruently arranged and separated by a thin, magnetically non-conductive insulating layer are used, whereby in each of these Magnetic films the current 1 Zj A, flows and preferably ji = 0 is chosen.

Gemäß der Fig.2 ist der Magnctfilm 1 auf einem Halbleiterplättchen 5 angeordnet, das einen monolithischen integrierten Schaltkreis (IC) mit den erforderli chen elektronischen Komponenten des Meßwandlers bildet. Zwischen dem Magneifilm 1 und dem Halbieiterplättchen 5 befindet sich eine Isolationsschicht 6, beispielsweise aus SiO_>. Die längsseiiigen Enden des Magnetfilms I sind mit Leiterbahnen 7,8 zum Anschluß des Magneifilms 1 an eine den Strom In liefernde Gleichstromquelle kontaktien. Das Halbleiterplättchen 5 enthält unter anderem zwei Transistoren 9, 10, von denen der eine über die Leiterbahn 7 mit dem Magnetfilm 1 verbunden ist und in diesen den Strom In einspeist, während der andere über eine Leiterbahn 11 an die Magnetspule 2 angeschlossen ist und den Vormagnetisierungsstrom /, liefert.According to FIG. 2, the magnetic film 1 is arranged on a semiconductor wafer 5 which forms a monolithic integrated circuit (IC) with the required electronic components of the transducer. An insulation layer 6, for example made of SiO_>, is located between the magnetic film 1 and the semiconductor plate 5. The longitudinal ends of the magnetic film I are in contact with conductor tracks 7, 8 for connecting the magnetic film 1 to a direct current source supplying the current I n. The semiconductor wafer 5 contains, among other things, two transistors 9, 10, one of which is connected to the magnetic film 1 via the conductor 7 and feeds the current I n into it , while the other is connected to the magnetic coil 2 via a conductor 11 and the Bias current /, supplies.

Die Magnetspule 2 ist eine ebene Dünnfilmspule und zusammen mit dem Magnetfilm 1 auf dem Halbleiterplätichen 5 angeordnet. Im Beispiel der Fig. 2 ist die Magnetspule 2 auf der dem Halbleiierplättchen 5 abgewandien Seite des Magnetlilm ί angeordnet und von diesem und von den Leiterbahnen Γ, 8 durch eine Isolationsschicht 12 isoliert. Der Magnetfilm 1 befindet sich in einem definierten Abstand von /.. B. einigen ii von der Magnetspule 2 an einem Ort. wo das Vormagnetisierungsfeli über der magnetisch aktiven Länge des Magnetfilms 1 praktisch konstant ist.The magnetic coil 2 is a planar thin-film coil and is arranged on the semiconductor plate 5 together with the magnetic film 1. In the example of FIG. 2, the magnetic coil 2 is arranged on the side of the magnetic film ί facing away from the semiconductor wafer 5 and is insulated from it and from the conductor tracks Γ, 8 by an insulation layer 12. The magnetic film 1 is located at a defined distance of / .. B. a few ii from the magnetic coil 2 in one place. where the bias field over the magnetically active length of the magnetic film 1 is practically constant.

Die Leiterbahnen 7, 8 und 11 und die Magnetspule 2 können /. B. aus Gold. Kupfer oder Aluminium bestehen und nach in der IC-Technologie bekannter photolithographischen Verfahren auf die Isolationsschicht 6 bzw. 12 aufgetragen werden. Auch das Auftragen der Isolationsschichlen 6 und 12 kann nach in der IC-Herstellung üblichen Verfahren erfolgen. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Erzeugung der Leiterbahnen 7, 8 und 11. der Magnetspule 2 sowie der Isolationsschichten 6 und 12 mit entsprechenden Kontaktierungsschritten bzw. Isolationsschrilten bei der Herstellung des integrierten SehaliKreiscs zu kombinieren, so daß gegenüber der konventionellen Herstellung integrierter Schaltkreise /ur Erzeugung des beschriebenen Meßwandlers lediglich das Auttragen des Magneifilms 1 als zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist.The conductor tracks 7, 8 and 11 and the magnetic coil 2 can /. B. made of gold. There are copper or aluminum and are applied to the insulation layer 6 or 12 by photolithographic processes known in IC technology. The application of the insulation layers 6 and 12 can also be carried out according to the methods customary in IC production. It is also possible to combine the production of the conductor tracks 7, 8 and 11 of the magnet coil 2 as well as the insulation layers 6 and 12 with corresponding contacting steps or insulation steps in the production of the integrated Sehali circuit, so that compared to the conventional production of integrated circuits / ur production of the transducer described only the application of the Magneifilms 1 is required as an additional operation.

Der Meßwandler nach der F i g. 3 unterscheidet sich von jenem nach der F ι g. 2 dadurch, dal) die Magnetspule 2 zwischen dem Halbleiterplättchen 5 und dem Magnetfilm 1 angeordnet ist. Die einzelnen Schichten in der Fig. 3 weisen /um Teil eine etwas andere Form als in der F i g. 2 auf.The transducer according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 2 by the fact that) the Magnetic coil 2 is arranged between the semiconductor die 5 and the magnetic film 1. The single ones Layers in FIG. 3 have a somewhat different shape than in FIG. 2 on.

Das Halbleiterplättchen 5 mit dem Magnetfilm 1 und der Magnetspule 2 kann in konventioneller Weise mi' elektrischen Anschlüssen versehen und in ein Gehäuse eingek .[-seit werden. Hierbei kann der Flachleiter 4 (Fig. I) ähnlich wie ein Kühlblech eines Leistimgstmnsistors als Teil des Gehäuses dienen. Vorteilhaft ist de· Flachleitcr 4 genial) der F ι g. 4 U-förmig gebogen und das Halbleiterplät'.chen 5 /wischen den Schenkeln des Flachleiters 4 angeordnet, wobei die elektrischen Anschlüsse IJ seitlich /wischen den Sehenkeln heraustreten. Das üiirch den Meßstrom /,» erzeugte Magnet= feld ist /wischen den Schenkeln des Flaehleiiers 4 maximal und außerhalb denselben praktisch null. Durch Auftragen einer weichmagneiischen Schicht auf den Außenflächen des Flachleiters 4 kann für eine zusätzliche magnetische Abschirmung gesorgt werden. Die elektrische l'rinzipschaltutiK des durch dasThe semiconductor wafer 5 with the magnetic film 1 and the magnetic coil 2 can in a conventional manner mi ' electrical connections are provided and encased in a housing. Here, the flat conductor 4 (Fig. I) similar to a heat sink of a power transistor serve as part of the housing. It is advantageous to Flachleitcr 4 ingenious) of FIG. 4 U-shaped bent and the semiconductor plate 5 / wipe the legs of the Flat conductor 4 arranged, the electrical Connections IJ sideways / wipe the tendons emerge. The magnet generated by the measuring current /, »= field is / wipe the legs of the Flaehleiiers 4 maximally and outside the same practically zero. By Applying a soft magnetic layer on the outer surfaces of the flat conductor 4 can be used for a additional magnetic shielding must be provided. The electrical principle circuit of the through the

Halbleiterplättchen 5 gebildeten integrierten Schaltkreises mit dem Magnetfilm 1 und der Magnetspule 2 ist in der F i g. 5 innerhalb eines Schaltblockes dargestellt. Dieser Schaltblock enthält einen Oszillator 15. eine Vormagnetisierungsstromquelle 16, eine Gleichstromquelle 17, einen Wechselspannungsverstärker 18. einen Schwellenschalter 19, einen Multiplikator 20 oder ein anderes analoges oder digitales Signalverarbeitungsglied, ferner einen Speisespannungsstabilisator 21, den Magnetfilm 1 mit den Leiterbahnen 7, 8 und die Magnetspule 2, die im Beispiel der Fig.5 eine Doppelspiralspule ist.Semiconductor wafer 5 formed integrated circuit with the magnetic film 1 and the magnetic coil 2 is in FIG. 5 shown within a switching block. This circuit block contains an oscillator 15 Bias current source 16, a direct current source 17, an AC voltage amplifier 18. a threshold switch 19, a multiplier 20 or a another analog or digital signal processing element, also a supply voltage stabilizer 21, the Magnetic film 1 with the conductor tracks 7, 8 and the magnetic coil 2, which in the example of FIG Double spiral coil is.

Der Oszillator 15 erzeugt eine Impulsfolge mit konstanter Frequenz, mit der die den Vormagnetisierungsstrom /,liefernde Vormagnetisierungsstromquelle 16 angesteuert wird. Die Gleichstromquelle 17 speist den Strom /o in den Magnetfilm 1. Der Wechselspannungsanteil der über dem Magnetfilm 1 abfallenden Spannung wird im Wec^selspannungsverstärker 18The oscillator 15 generates a pulse train with a constant frequency, with which the bias current /, supplying bias current source 16 is controlled. The direct current source 17 feeds the current / o in the magnetic film 1. The AC voltage component of the voltage drop across the magnetic film 1 Voltage is generated in alternating voltage amplifier 18

VCrSiSfiii UPnj gCicingi Züill *jCii*VCiiCnSCii3iiCrVCrSiSfiii UPnj gCicingi Züill * jCii * VCiiCnSCii3iiCr

jeweils praktisch im Nulldurchgang des Außenfeldes H1 einen Impuls abgibt. Bei definierter Kurvenform des alternierenden Vormagnetisierungsstromes /, stellen die Zeitpunkte, in denen diese Impulse auftreten, ein Maß dar für den Momentanwert und das Vorzeichen des an den Meßwandler angelegten Magnetfeldes bzw. des im Flachleiter 4 fließenden Stromes. Im Multiplikator bzw. Signalverarbeitungsglicd 20 kann aufgrund dieser Zeitpunkte ein den Momentanwert des Stromes darstellendes analoges oder digitales Signal gebildet werden.each practically emits a pulse at the zero crossing of the external field H 1. With a defined curve shape of the alternating bias current /, the times at which these pulses occur represent a measure of the instantaneous value and the sign of the magnetic field applied to the transducer or of the current flowing in the flat conductor 4. An analog or digital signal representing the instantaneous value of the current can be formed in the multiplier or signal processing device 20 on the basis of these times.

Der beschriebene Meßwandler eignet sich vorzüglich zur Messung elektrischer Energie. Hierzu werden der zu messende Wechselstrom unmittelbar in den Flachleiter 4 eingespeist, gemäß der Fig.5 die zu messende Spannung U z. B. über einen Spannungsteiler 22 dem Multiplikator 20 zugeführt und dessen Ausgang an ein Zählwerk 23 angeschlossen. Der Multiplikator 20 bildet das Produkt aus dem Momentanwert des mit dem Meßwandler ermittelten Wechselstromes und dem Momentanwert der Wechselspannung und das Zählwerk 23 bildet das Zeitintegral des Produktes.The transducer described is particularly suitable for measuring electrical energy. For this purpose, the alternating current to be measured is fed directly into the flat conductor 4, according to FIG. 5 the voltage U z to be measured. B. is fed to the multiplier 20 via a voltage divider 22 and its output is connected to a counter 23. The multiplier 20 forms the product of the instantaneous value of the alternating current determined with the transducer and the instantaneous value of the alternating voltage, and the counter 23 forms the time integral of the product.

Zur Speisung des Schaltungsblocks wird die Wechselspannung U mittels eines Transformators 24, eines Gleichrichters 25 und eines Kondensators 26 in eine Kleingleichspannung umgeformt und diese an den Speisespannungsstabilisator 21 angelegt.
ί Zur Messung elektrischer Energie in einem Drehstromnetz wird vorteilhaft für jede Phase ein Meßwandler der beschriebenen Art eingesetzt, wobei die Produktbildung für jede Phase im Multiplikator 20 des Schaltungsblocks 14 der betreffenden Phase oder inTo supply the circuit block, the alternating voltage U is converted into a small direct voltage by means of a transformer 24, a rectifier 25 and a capacitor 26 and this voltage is applied to the supply voltage stabilizer 21.
ί To measure electrical energy in a three-phase network, a transducer of the type described is advantageously used for each phase, the product formation for each phase in the multiplier 20 of the circuit block 14 of the relevant phase or in

in einem allen Phasen gemeinsamen Mikrocomputer erfolgen kann.can take place in a microcomputer common to all phases.

Die Windungen der als Dünnfilmspule ausgebildeten Magnetspule 2 können, wie bereits erwähnt, in einer gemeinsamen Ebene liegen. Ferner besteht die Mögiich-The turns of the magnetic coil 2, which is designed as a thin-film coil, can, as already mentioned, be in a common plane. Furthermore, there is the possibility

i) keil, die einzelnen Windungen der Dünnfilmspule in bekannter Weise deckungsgleich übereinander anzuordnen und jeweils durch eine dazwischen liegende Isolationsschicht voneinander zu isolieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eineri) wedge to arrange the individual turns of the thin-film coil congruently one above the other in a known manner and to isolate them from one another by an insulating layer in between.
Another advantageous embodiment of a

2Ti Duriiiiufiiipuic wird nachfolgend anhand der F i g. 6 und 7 erläutert, in denen gleiche Bezugszahlen wie in den vorangehenden Zeichnungsfiguren auf Teile gleicher Funktion hinweisen. Beim Meßwandler nach den F i g. 6 und 7 besteht die Dünnfilmspule aus einer ersten Gruppe paralleler, in einer ersten Ebene liegender Leiterbahnen 27 und aus einer zweiten Gruppe paralleler, in einer zweiten Ebene liegender Leiterbahnen 28. Die Leiterbahnen 27 befinden sich unterhalb des Magr, jtiilms 1 auf der auf das Halbleiterplättchen 5 aufgetragenen Isolationsschicht 6 und sind vom Magnetfilm 1 durch die Isolationsschicht 12 isoliert. Oberhalb des Mngnetfilms 1 sind auf einer Isolationsschicht 29 die Leiterbahnen 28 angeordnet. Die Isolationsschichten 12 und 29 bedecken die Leiterbahnen 27 nicht vollständig, sondern lassen deren Enden frei zugänglich. Die beiden Enden der Leiterbahnen 28 sind Z-förmig abgekröpft und jeweils mit einem Ende zweier aufeinanderfolgender Leiterbahnen 27 verbunden. Gegenüber der ebenen Magnetspule 2 weist die aus den Leiterbahnen 27, 28 bestehende Magnetspule bei gleicher Windungszahl eine um ein Vielfaches geringere Leiterlänge auf.2Ti Duriiiiufiiipuic is explained below with reference to FIGS. 6 and 7, in which the same reference numbers as in the preceding drawing figures indicate parts with the same function. In the case of the transducer according to FIGS. 6 and 7, the thin film coil consists of a first group of parallel conductor tracks 27 lying in a first plane and a second group of parallel conductor tracks 28 lying in a second plane 5 applied insulation layer 6 and are insulated from the magnetic film 1 by the insulation layer 12. The conductor tracks 28 are arranged on an insulation layer 29 above the magnetic film 1. The insulation layers 12 and 29 do not completely cover the conductor tracks 27, but leave their ends freely accessible. The two ends of the conductor tracks 28 are bent in a Z-shape and are each connected to one end of two consecutive conductor tracks 27. Compared to the planar magnetic coil 2, the magnetic coil consisting of the conductor tracks 27, 28 has a conductor length that is many times shorter with the same number of turns.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Meßwandler zum Messen eines Magnetfeldes oder eines das Magnetfeld erzeugenden Meßstroms, mit einer einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom führenden, in einer odei mehreren Ebenen liegenden magnetischen Flachspule und mit einem Magnetfeldkomparator. der aus mindestens einem auf einem Substrat aufgetragenen anisotropen Magnetfilm aus ferromagnetischem magnetoresistivem Material besteht, an eine Stromquelle angeschlossen ist und einem magnetischen Außenfeld, das der Summe des zu messenden Magnetfeides und dem vom Vormagnetisierungsstrom erzeugten Vormagneiisierungsfeld entspricht, so ausgesetzt ist. daß der Magnetfilm durch das Außenfeld in seiner leichten Magnetachse (magnetische Vorzugsrichtung) abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert ist. gekennzeichnet durch folgende Merkmalskombination:1.Measuring transducer for measuring a magnetic field or a measuring current that generates the magnetic field, with an alternating bias current in one or more levels lying magnetic flat coil and with a magnetic field comparator. of at least one anisotropic magnetic film made of ferromagnetic magnetoresistive material deposited on a substrate Material is connected to a power source and an external magnetic field, that of the sum of the magnetic field to be measured and the pre-magnetization field generated by the bias current corresponds, so is exposed. that the magnetic film by the external field in its easy magnetic axis (preferred magnetic direction) alternating in both saturation directions is controlled. characterized by the following Feature combination: Der Ma^netfilm (1) und die als Dunnfilmspule ausgebildete Flachspule (2; 27, 28) sind auf einem Halbleiterplättchen (5) eines monolithischen integrierten Schaltkreises (14) angeordnei und durch mindestens eine Isolationsschicht (6; 12) voneinander und vom Halbleiterplättchen (5) isoliert.The magnetic film (1) and the thin film spool formed flat coil (2; 27, 28) are integrated on a semiconductor wafer (5) of a monolithic Circuit (14) and arranged by at least one insulating layer (6; 12) from each other and isolated from the semiconductor die (5). 2. Meßwandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktive Länge des Magnetfilms (1) im Bereich des konstanten Vormagnetisierungsfeldes der Flachspule (2; 27, 28) angeordnet ist.2. A transducer according to claim 1, characterized in that the magnetically active length of the magnetic film (1) in the area of the constant bias field of the flat coil (2; 27, 28) is arranged. 3. Meßivandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das HaIbleiterpläuchen (5) mit den, Magnetfilm (1) und der Flachspule (2) zwbcben den Schenkeln eines U-förmig gebogenen, den M'tJstrom (lm) führenden Flachleiters (4) angeordnet ist.3. Messivandler according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductors (5) with the magnetic film (1) and the flat coil (2) between the legs of a U-shaped bent flat conductor leading to the M'tJstrom (1 m ) (4) is arranged. 4. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule aus zwei Gruppen paralleler, in jeweils einer anderen Ebene liegender Leiterbahnen (27, 28) besieht, wobei die Leiterbahnen (27) der einen Gruppe unterhalb des Magnetfilms (1) und die Leiterbahnen (28) der anderen Gruppe oberhalb des Magnetfilms (1) angeordnet sind und die beiden Enden der Leiterbahnen (28) der einen Gruppe jeweils mit einem Ende zweier verschiedener Leiterbahnen (27) der anderen Gruppe verbunden sind.4. Measuring transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the flat coil from two groups of parallel conductor tracks (27, 28) each lying in a different plane viewed, wherein the conductor tracks (27) of a group below the magnetic film (1) and the Conductor tracks (28) of the other group are arranged above the magnetic film (1) and the two Ends of the conductor tracks (28) of one group each with one end of two different ones Conductor tracks (27) of the other group are connected. 5. Meßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithisch integrierte Schaltkreis (14) eine Vormagnetisierungsstromquelle (16). die an den Magnetfilm (1) angeschlossene Stromquelle (17). einen Verstärker (18). einen Schwellenschalter (19) und ein digitales oder analoges Signalverarbeitungsglied (20) aufweist. 5. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the monolithic integrated circuit (14) a bias current source (16). attached to the magnetic film (1) connected power source (17). an amplifier (18). a threshold switch (19) and a digital one or an analog signal processing element (20). b. Meßwandler nach Anspruch 5. dadurch gekenn/eichnet. daß das Signalverarbeitungsglied (20) ein Multiplikator ist.b. Measuring transducer according to claim 5, thereby marked / calibrated. that the signal processing element (20) is a multiplier. 7. Meßwandler nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplikator das Produkt aus dem Momentanwert eines Wechsel-Meßstromes (In,) und dem Momentanwert einer Wechselspannung (LJ)bildet und dem Multiplikator ein Zählwerk ι (23) zur Bildung des Zcitintegrals dieses Produktes nachgeschaltet ist.7. A transducer according to claim 6, characterized in that the multiplier forms the product of the instantaneous value of an alternating measuring current (I n ) and the instantaneous value of an alternating voltage (LJ) and the multiplier is a counter ι (23) to form the Zcitintegrals of this Downstream product. Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler zum Messen eines Magnetfeides oder eines das Magnetfeld erzeugenden Meßstromes der im Oberbegriff des Patentanspruchs I genannten Art.The invention relates to a transducer for measuring a magnetic field or one Magnetic field generating measuring current of the type mentioned in the preamble of claim I. Ein derartiger Meßwandler ist bereits bekannt (DE-AS 27 34 729). Dabei ist die leichte Magnetachse bzw. die magnetische Vor/ugsrichtung des magnetoresisüven Magnetfilms, welcher als Magnetfeldkomparator die.it. unter einem Winkel von 90' oder 45° zur Richtung des magnetischen Außenfeldes angeordnet. Die Flachspule ist beispielsweise aus einer oder mehreren Leiterplatten gebildet, die einseitig oder beidseitig eine spiralförmige Kupferschicht in der Art einer geätzten bzw. gedrui-kten Schaltung aufweist. Obwohl der vorbekannte Meßwandler gute Eigenschaften aufweist, läßt seine Herstellung vor allem im Massenproduktionsverfahren noch zu wünschen übrig.Such a transducer is already known (DE-AS 27 34 729). Here is the easy magnetic axis or the magnetic forward / backward direction of the magnetoresistive sensor Magnetic film, which as a magnetic field comparator die.it. at an angle of 90 'or 45 ° to the Direction of the external magnetic field arranged. The flat coil is, for example, made of an or formed several circuit boards, which on one or both sides a spiral copper layer like an etched or printed circuit. Although the previously known transducer has good properties has, its manufacture leaves something to be desired, especially in the mass production process. Darüber hinaus ist ein Meßfühler zum Messen eines äußeren Magnetfeldes bekannt (DE-OS 2? 11 733). bei dem ein ferromagneiischer Film in Zick-Zack- oder Schlangenform auf einer Unterlage aus Ziehglas, einer photographischen Trockenplntte oder einem anderen Substratmaterial angeordnet ist.In addition, a sensor for measuring an external magnetic field is known (DE-OS 2-11 733). at which a ferromagnetic film in zigzag or Snake shape on a base made of drawn glass, a photographic drying plate or another Substrate material is arranged. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Meßwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art als integrierte Baueinheit zu gestalten.The invention is based on the object of providing the transducer in the preamble of claim 1 to design specified type as an integrated unit. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des α nspruchs 1 angegebenen Merkmale.This problem is solved by the features specified in the characterizing part of claim 1. Die Unteransprüche geben besondere Ausführungsarten an. The subclaims indicate special types of execution. Der erfindungsgemäße Meßwandler läßt sich im Massenproduktionsverfahren sehr billig herstellen, da monolithisch aufgebaute integrierte Schaltkreise als Substrat verwendet und maßgebende Bauteile auf diesen so aufgebaut werden, daß sie sich in außerordentlich geringem Abstand voneinander befinden. Hierdurch wird nicht nur der Raumbedarf vermindert, sondern kann auch eine größere Meßgenauigkeit erzielt werden. Diese Miniatur-Kompaktbauweise setzt auch die Störanfälligkeit insbesondere b-*i dynamischer Beanspruchung des Meßwandlers herab.The transducer of the invention can be mass-produced very cheaply because monolithic integrated circuits used as a substrate and relevant components these are set up so that they are in an extremely small distance from each other. Through this the space requirement is not only reduced, but greater measurement accuracy can also be achieved. This miniature compact design also increases the susceptibility to failure, in particular due to dynamic stress of the transducer. Der magnetoresistive Magnetfilm ist hinsichtlich seiner Vorzugsrichtung ebenso wie bei dem vorbekannten Meßwandler in bezug auf das magnetische Außenfeld unter einem solchen Winkel angeordnet, daß der Magnetfilm durch das magnetische Außcnfeld in seiner leichten Magnetachse (magnetische Vorzugsrichlung) abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert ist. Dabei wird auch sein elektrischer Widerstand jeweils annähernd im Nulldurchgang des magnetischen Außenfeldes so geändert, daß der Zeitpunkt der Widerstandsänderung als Maß für den Betrag und das Vorzeichen des zu messenden Magnetfelds oder eines das Magnetfeld erzeugenden Meßstromes dient.The magnetoresistive magnetic film is the same as that of the prior art in terms of its preferred direction Transducer with respect to the external magnetic field arranged at such an angle that the magnetic film due to the external magnetic field in its easy magnetic axis (magnetic preferred direction) is controlled alternately in both saturation directions. It will also be electrical Resistance changed in each case approximately in the zero crossing of the external magnetic field so that the Time of the change in resistance as a measure of the amount and sign of the value to be measured Magnetic field or a measuring current generating the magnetic field is used. Anhand der Zeichnung sind im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und die nicht maßstäblich gezeichneten Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigtWith reference to the drawing, exemplary embodiments of the invention are described and not in the following Figures drawn to scale explained in more detail. It shows F i g. 1 eine Prinzipdarstellung eines Meßwandlers.F i g. 1 shows a schematic diagram of a transducer. F i g. 2 und 3 je einen Meßwandler im Schnitt.F i g. 2 and 3 each have a transducer in section. F i g. 4 einen Meßwandler mit einem Meßleiter,F i g. 4 a transducer with a measuring conductor, F i g. 5 ein Prinzipschaltbild eines statischen Elektrizitätszählers, mit einem Meßwandler.F i g. 5 is a block diagram of a static electricity meter, with a transducer. F i g. 6 einen weiteren Meßwandler im Schnitt undF i g. 6 a further transducer in section and Fig. 7 den Meßwandler nach der Fig. 6 in der Draufsicht.7 shows the transducer according to FIG. 6 in a top view. In der Fig. 1 bedeutet 1 einen anisotropen Magnet-In Fig. 1, 1 means an anisotropic magnetic
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