Устройство для бесконтактного измерения тока

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Драпезо Александр Петрович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для бесконтактного измерения тока, содержащее защитный трубчатый корпус с открытым торцом, в котором параллельно плоскости открытого торца расположен плоский -образный магнитопровод, центральный участок которого содержит плоский магниточувствительный элемент, средства доставки и регистрации электрического сигнала, отличающееся тем, что магнитопровод нанесен на диэлектрическую немагнитную подложку, выполнен тонкопленочным, толщиной 10-40 нм, из пермаллоя с низкой коэрцитивной силой, магниточувствительный элемент является частью магнитопровода,при этом центральная часть магнитопровода выполнена с боковыми закругленными участками, к которым примыкают две пары контактных участков питающие и сигнальные, Фиг. 1 9549 1 2007.08.30 которые вместе с центральной частью магнитопровода образуют магниточувствительный элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла, а на противоположной стороне подложки сформирован второй миниатюрный пленочный полупроводниковый магниточувствительный элемент с высокой магнитной чувствительностью, например из, функционирующий на классическом эффекте Холла, причем магниточувствительные элементы находятся друг над другом в параллельных плоскостях. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитный трубчатый корпус расположен в механическом держателе с возможностью контролируемого перемещения относительно проводника с током, по крайней мере, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Устройство относится к электротехнике и может быть использовано для контроля плат печатного монтажа и диагностике интегральных схем. Устройство предназначено в основном для бесконтактных измерений небольших величин токов постоянных, импульсных и сложно зависящих от времени. Известен датчик 1 для бесконтактного измерения слабых токов с произвольной зависимостью от времени. Он содержит замкнутый магнитопровод, охватывающий измеряемый проводник с током и магниточувствительный преобразователь, функционирующий на планарном эффекте Холла. Причем магнитопровод выполнен тонкопленочным из материала с низкой коэрцитивной силой, и часть магнитопровода одновременно является планарным элементом Холла. Однако применение устройств такого типа для измерения тока в цепях электронной аппаратуры резко ограничено, прежде всего из-за невозможности охвата печатных проводников замкнутым контуром, а также из-за малых размеров объемных проводников объемного монтажа. По этой причине для бесконтактного измерения электрических сигналов в элементах электронной аппаратуры могут использоваться зондовые преобразователи разомкнутого типа, например использующие принцип индуктивной, емкостной связи, или гальваномагнитные эффекты в полупроводниках 2. Так, в 2 (стр. 72) описано использование магнитотранзистора марки ПТН 001 М с пермаллоевыми концентраторами магнитного поля допустимой длины (1-1,5) мм для диагностики печатных плат путем измерения индукции магнитного поля, обусловленной протекающим током по проводнику. К недостаткам применения транзисторов с магнитными концентраторами относится большая нелинейность преобразования магнитотранзистора и резкое ухудшение линейной разрешающей способности, так как магнитное поле воспринимается концентраторами большой протяженности (20-30) мм, а не локальной активной зоной транзистора, равной обычно 0,1-0,2 мм. При индукциях свыше 50 мТл материал концентраторов насыщается и усиления магнитного поля не происходит. При определении пороговой чувствительности на переменном токе основное значение имеют шумовые параметры магнитотранзистора. В 2 приведен пересчет уровня шума на полосу частот до 106 Гц для транзистора ПТН 001, который составляет 0,25 мТл, что соответствует амплитуде измеряемого тока 0,3-1 А при измерении импульсных высокочастотных токов. Наиболее близким по технической сущности исполнения к предлагаемому является устройство (прототип) для бесконтактного измерения тока по а.с. СССР 652493. Устройство для бесконтактного измерения тока содержит защитный трубчатый корпус с открытым торцом, в котором расположен плоский Н-образный магнитопровод (сердечник), разомкнутые концы которого ориентированы параллельно плоскости открытого торца корпуса, а общий центральный участок Н-образного магнитопровода содержит плоский магниточувствительный элемент, выполненный в виде плоской обмотки, образующей первичную обмотку повышающего трансформатора, содержащего также и вторую - выходную - обмотку. При протекании измеряемого тока по проводнику печатной платы индуцируется магнитный поток, который концентрируется в центральной области Н-образного плоского магнитопровода, пронизывая магниточувствительный элемент. Наводимая ЭДС пропорциональна изменению магнитного потока по времени или первой производной тока по времени. Таким образом, в этом устройстве возможна регистрация только пе 2 9549 1 2007.08.30 ременной составляющей тока. Кроме того, миниатюризация устройства затруднена использованием плоского сердечника и трансформатора с замкнутым магнитопроводом и двумя обмотками. Поэтому линейная разрешающая способность низкая и не обеспечивает возможности контроля тонкой структуры магнитного поля, возникающей вокруг проводника с током. Выходной сигнал имеет сильную зависимость от конфигурации и размеров проводника, расстояния до проводника с током. Он также подвержен влиянию соседних,близко расположенных элементов, параметров внешних покрытий и ферромагнитных масс. Все это приводит к ухудшению пространственной разрешающей способности при регистрации тока в проводниках печатных плат и элементах электронной аппаратуры. Отмеченные выше недостатки при измерении тока относятся не только к прототипу, но и к другим известным устройствам. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение пространственной разрешающей способности устройства при бесконтактном измерении тока в проводниках печатных плат различных размеров, конфигурации и элементах электронной аппаратуры путем регистрации тонкой структуры магнитного поля, наводимого протекающим током. Для реализации поставленной задачи предлагается следующее устройство. 1. Устройство для бесконтактного измерения тока, содержащее защитный трубчатый корпус с открытым торцом, в котором параллельно плоскости открытого торца расположен плоский Н-образный магнитопровод, центральный участок которого содержит плоский магниточувствительный элемент, средства доставки и регистрации электрического сигнала, отличающееся тем, что магнитопровод нанесен на диэлектрическую немагнитную подложку, выполнен тонкопленочным, толщиной 10-40 нм, из пермаллоя с низкой коэрцитивной силой, магниточувствительный элемент является частью магнитопровода,при этом центральная часть магнитопровода выполнена с боковыми закругленными участками, к которым примыкают две пары контактных участков питающие и сигнальные,которые вместе с центральной частью магнитопровода образуют магниточувствительный элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла, а на противоположной стороне подложки сформирован второй миниатюрный пленочный полупроводниковый магниточувствительный элемент с высокой магнитной чувствительностью, например из , функционирующий на классическом эффекте Холла, причем магниточувствительные элементы находятся друг над другом в параллельных плоскостях. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитный трубчатый корпус расположен в механическом держателе с возможностью контролируемого перемещения относительно проводника с током, по крайней мере, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с прототипом, аналогами и другими техническими устройствами по бесконтактному измерению тока показывает, что предлагаемое устройство является новым, так как содержит принципиально новые элементы, находящиеся во взаимосвязи, перечисленные в отличительных признаках, а известные элементы (например магнитопровод и магниточувствительные элементы) в другом исполнении - тонкопленочном. Отличия являются существенными, так как позволяют проводить регистрацию тонкой структуры магнитного поля, наводимого протекающим током, что принципиально повышает пространственную разрешающую способность устройства по контролю тока в проводниках печатных плат, интегральных схем и элементов радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому из сопоставительного анализа можно сделать вывод о том, что предлагаемое устройство является не только новым и содержит конструктивные отличающиеся элементы, но эти отличия, рассмотренные в совокупности, являются существенными. В связи с вышеизложенным предлагается следующее устройство. На фиг. 1 представлено устройство в сборе, причем средства доставки (электрические проводники) и регистрации электрического сигнала не изображены на фиг. 2 - его разрез А-А по Н-образному магнитопроводу на фиг. 3 - распределение горизонтальной составляющей индукции магнитного поляпри разных расстояниях до первого магниточувст 3 9549 1 2007.08.30 вительного элемента ( - расстояние равно 130 мкм,- расстояние равно 1500 мкм соответственно) как функция перемещения вдоль координатына фиг. 4 - распределение вертикальной составляющей индукции магнитного поляпри разных расстояниях до другого магниточувствительного элемента ( - расстояние равно 230 мкм, -расстояние равно 2400 мкм соответственно) как функция перемещения вдоль координатысоответственно. При этом 50 мкм,1 мм,1 , частота 0 (постоянный ток),проводимость медного проводника 11 с током 0,58108 (Омм)-1. Устройство содержит защитный трубчатый корпус 1 с открытым торцом, в котором расположен плоский Н-образный магнитопровод 2, разомкнутые концы которого ориентированы параллельно плоскости открытого торца корпуса, а общий центральный участок магнитопровода содержит плоский магниточувствительный элемент 3, средства доставки и регистрации электрического сигнала (не изображены). Магнитопровод выполнен тонкопленочным, толщиной 10-40 нм, из пленки пермаллоя с низкой коэрцитивной силой и нанесен на диэлектрическую немагнитную подложку 4, магниточувствительный элемент 3является частью магнитопровода 4, имеет боковые закругленные участки, к которым примыкают две пары контактных участков питающие 5, 6 и сигнальные 7 и 8, которые вместе с центральной частью магнитопровода 2 образуют магниточувствительный элемент 3, функционирующий на планарном эффекте Холла. На противоположной стороне подложки 4 сформирован второй миниатюрный пленочный полупроводниковый магниточувствительный элемент с высокой магнитной чувствительностью 9, например из , функционирующий на классическом эффекте Холла, причем магниточувствительные элементы 3, 9 находятся друг над другом в параллельных плоскостях. Элемент Холла 4 крепится к трубчатому корпусу 1 с помощью слоя эпоксидной смолы 10. Слой 10 выполняет также и защитную функцию. Подложка 4 с магниточувствительными элементами 3 и 9 располагается в непосредственной близости над плоским проводником 11 печатной платы или интегральной схемы. Проводник с измеряемым током 11 обычно покрыт защитным лаком 12. Защитный трубчатый корпус 1 расположен в механическом держателе 13 с возможностью плавного контролируемого перемещения относительно проводника с током, по крайней мере, в двух взаимно перпендикулярных плоскостяхи . Обозначение- горизонтальная ось, проходящая поперек проводника с током,- вертикальная ось, совпадающая с нормалью к поверхности проводника 11. Размер проводника 11 по осиобозначим , по оси- . Расстояние от поверхности проводника 11 до ближайшего магниточувствительного элемента - 1, до следующего магниточувствительного элемента 2. Возможно расположение, когда магниточувствительный элемент 9 находится внизу, а элемент 3 вверху, что соответствует повороту подложки 4 на 180. Устройство работает следующим образом. Ток , проходящий по печатному проводнику 11, наводит магнитный поток в окружающем пространстве вокруг проводника. Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля , попадая в Н-образный магнитопровод 2, концентрируется в его центральной части 3, которая имеет форму круга. К боковым закругленным участкам 3 магнитопровода 2 примыкают две пары контактных участков питающие 5, 6 и сигнальные 7 и 8, которые вместе с центральной частью магнитопровода 2 образуют магниточувствительный элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла. Угол междуи линией, соединяющей участки 5, 6 или 7, 8 составляет 45, что соответствует получению максимальной величины эдс планарного эффекта Холла. Магнитопровод выполнен тонкопленочным, толщиной 10-40 нм, из пермаллоя с низкой коэрцитивной силой, например, состава- 81 ,- 19 или- 80 ,- 20 . Магниточувствительный элемент 3 измеряет горизонтальная составляющая индукции магнитного поляв его центре и практически не изменяет вертикальную составляющую индукцию магнитного поля , так как размагничивающий фактор тонкой пленки вдоль направления осиравен 1. Вертикальная составляющая индукции магнитного поляизмеряется с помощью миниатюрного магниточувствительного элемента 9, функционирующего на классическом эффекте Холла. Полупроводниковый элемент Холла обычно 4 9549 1 2007.08.30 имеет толщину 2-3 мкм, формируется прецизионными методами фотолитографии и химического травления на поверхности немагнитной подложки 10. Для получения высокой магнитной чувствительности целесообразно использовать в качестве элементов 9 и 4 гетероэпитаксиальную структуру (эпитаксиальную пленку - на полуизолирующем арсениде галлия 4). При этом магниточувствительная область может иметь размеры менее 30303 мкм, что обеспечивает локальность измеренийсоставляющей индукции магнитного поля, обусловленной протеканием тока в плоском проводнике 11. Благодаря размещению защитного трубчатого корпуса 1 в механическом держателе 13 обеспечивается возможность плавного контролируемого перемещения магниточувствительных элементов 3 и 9 в непосредственной близости от проводника 11 с измеряемым током, по крайней мере, в двух взаимно перпендикулярных плоскостяхи . При этом решается задача по повышению пространственной разрешающей способности устройства при бесконтактном измерении тока в печатных платах различных размеров, конфигурации и элементах электронной аппаратуры за счет регистрации тонкой структуры магнитного поля, наводимого протекающим током. По величине Вх в центре симметрии проводника с током можно судить о интегральной величине протекающего тока в печатном проводнике. Для этого магниточувствительный элемент 9, измеряющий вертикальную составляющую индукции магнитного поля, должен быть поставлен в центр симметрии печатного проводника с током,что соответствует 0 (в соответствии с фиг. 4). Таким образом, вне зависимости от величины зазора 1 пленочный магниточувствительный элемент 3 будет измерять максимальную величину Вх, которая и определяет интегральную величину измеряемого тока . Возможность регистрации тонкой структуры магнитного поля вокруг проводника с током позволяет дополнительно локализовать дефекты геометрического характера в печатных платах, места замыканий и токи утечки и др. Например, сужение дорожки проводника, по которому течет измеряемый ток, не приводит к изменению самой величины протекающего тока (следовательно, не может быть зафиксировано с помощью известных устройств), однако меняется его плотность, что в конечном результате может привести к перегреву проводника выделяющимся джоулевым теплом в месте дефекта. Этот дефект может легко обнаруживаться с помощью регистрации распределения компонент индукции магнитного поля вдоль оси . Фактически регистрация тонкой структуры магнитного поля вокруг проводника с током позволяет контролировать плотность тока в сечении проводника, что значительно повышает информативность диагностики печатных плат. При измерении импульсных токов высокой частоты можно дополнительно фиксировать влияние скин-эффекта в печатных проводниках с током путем измерения тонкой структуры магнитного поля вокруг проводника с током. Скин-эффект обуславливает изменение плотности тока по сечению проводника с током. Учет влияния вихревых токов и соответствующая коррекция результата измерения величины тока магниточувствительным элементом 3 может осуществляться за счет предварительной калибровки 3 калибровочным сигналом, близким по форме к измеряемому. Причем проявление эффекта скинирования тока в самих магниточувствительных элементах не наблюдается из-за того, что они выполнены тонкопленочными. Пример 1. Было изготовлено и опробовано устройство для бесконтактного измерения тока в соответствии с фиг. 1. Классический элемент Холла 9 был сформирован из эпитаксиальной пленки - на полуизолирующем арсениде галлия 4. Микроминиатюрный полупроводниковый элемент в форме перекрестия имел размеры магниточувствительной зоны 30303 мкм, общие габариты 200500 мкм, чувствительность к магнитному полю 480 мВ/Тл при токе питания 50 мА. Концентрация носителей заряда (электронов) 1,181023 м-3. Подвижность носителей заряда - 2,2 м/(Вс). Напряжение неэквипотенциальности не превышало 30 мкВ. Габариты Н-образного магнитопровода 2 не превышали 200200 мкм. Магнитопленочный элемент 3 имел диаметр 30 мкм и толщину 40 нм. Его номинальная чувствительность к магнитному полю - 15 мВ/мТл. Материал магниточувст 5 9549 1 2007.08.30 вительной пленки- 81 ,- 19 . Механический держатель 13 устанавливался на подвижном трехкоординатном столике от оптического микроскопа. Точность определения перемещения по любой из координат была не менее 0,005 мм. Результаты проведенных экспериментов по определению пространственных составляющих индукции магнитного поля, обусловленного протекающим током в 1 А по плоскому проводнику шириной 1 мм и высотой 50 мкм, приведены на фиг. 3 и фиг. 4. Как следует из эксперимента, устройство обладает высокой пространственной разрешающей способностью при бесконтактном измерении тока в проводниках печатных плат. Источники информации 1. А.с. СССР 1824603, МПК 01 19/00,01 33/06, 1993. 2. Яковлев Н.И. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с. 3. А.с. СССР 652493, МПК 01 19/00, 1979 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6