用于测量电流的方法和电流传感器与流程

文档序号:13426395
用于测量电流的方法和电流传感器与流程
本发明涉及一种用于测量电流的方法、一种相应的电流传感器以及一种相应的计算机程序。

背景技术:
为了测量电流,如今已经提供如测量分流电阻上的电压降或通过基于隧道磁电阻效应或巨磁电阻效应的霍尔传感器以及磁场传感器(TMR和GMR传感器)测量电流引起的磁场之类的解决方案。

技术实现要素:
在该背景下,利用在此提出的方案提出根据独立权利要求的一种用于在使用金刚石材料的情况下测量电流的方法,还有一种具有金刚石材料的电流传感器以及最后一种相应的计算机程序。有利的设计方案由相应的从属权利要求和以下描述得出。电导体中的电流流动引起围绕着导体的磁场。金刚石晶体中的氮缺陷中心由于塞曼效应而对磁场具有高的灵敏度。在光学上可以以大的值范围读出氮缺陷中心,由此可以以高的精确度确定电流流动。提出一种用于在使用可遭受磁场的金刚石材料的情况下测量引起磁场的电流的方法,其中金刚石材料在金刚石材料的晶格中具有至少一个氮插入和与氮插入相邻的缺陷,其中该方法具有以下步骤:提供第一频谱内的第一电磁波和第二频谱内的第二电磁波,以便将金刚石材料激励至发荧光;检测荧光的荧光强度;分析该强度和第二电磁波的频率,以便求取磁场的影响荧光的磁场强度;以及在使用磁场强度的情况下确定电流的电流强度。金刚石材料可以理解成具有至少一个氮缺陷中心的金刚石。氮缺陷中心可以是到金刚石晶格中的氮插入和晶格中的与氮插入相邻的缺陷。氮缺陷中心对如例如由通流的导体引起的磁场具有灵敏度。至少一个与金刚石材料的荧光或荧光谱的局部最小值相关的激励频率与磁场的磁场强度成比例地移动。磁场强度可以简单地例如在使用预先确定的处理规则的情况下被换算成起因的电流强度。简单分析例如可以通过荧光强度的阈值监视来实现。在此可以提供具有恒定频率的第一电磁波和具有可变频率的第二电磁波。通过低于阈值,直接获得强度最小值的位置,所述强度最小值表征确定场强的磁场。在分析的步骤中,可以在第二电磁波的第一频率下分析荧光的第一局部强度最小值。此外,可以在第二电磁波的第二频率下分析荧光的第二局部强度最小值。可以在使用频率之间的频率间距的情况下求取场强。第一频率和第二频率在保持不变的环境条件下与磁场的变化近似线性地改变。在提供的步骤中,可以将第二电磁波作为频率变化曲线射入。在检测的步骤中可以检测荧光的强度变化曲线。在分析的步骤中可以在使用频率变化曲线和强度变化曲线之间的关系的情况下求取场强。金刚石材料可以通过第二电磁波以变化的激励频率来激励。特别是可以完全扫过预先确定的频率范围。由此可以简单地检测至少一个荧光最小值。作为第一电磁波可以利用光激励金刚石材料并且作为第二电磁波可以利用微波能量激励金刚石材料。特别是可以同时利用光和微波能量激励金刚石材料。在此可以提供具有恒定波长的光,而可以提供具有可变频率的微波能量。由此可以特别好地测量磁场。在提供的步骤中,还可以提供具有参考场强和参考场方向的参考磁场。在分析的步骤中,可以通过在无磁场情况下的荧光谱和在接受待测量的磁场下的荧光谱之间的比较来求取待测量的场的磁场强度和方向。通过该比较,例如可以将来自其他方向的干扰场与通流导体的待测量的磁场区分开。该方法可以具有光学过滤金刚石材料的放射的步骤,以便从散射光中、例如从荧光的光学激励中滤出金刚石材料的荧光,由此可以增大测量精确度。在分析的步骤中,还可以通过分析例如经由阈值探测所接收的频率来求取金刚石材料的温度。频率或通过其来求取磁场的频率温度相关地移动。由此可以直接从局部最小值的温度相关的频率移动导出温度。此外提出一种用于测量引起磁场的电流的电流传感器,其中该电流传感器具有以下特征:可遭受磁场的金刚石材料,该金刚石材料在金刚石材料的晶格中具有至少一个氮插入和与氮插入相邻的缺陷;发射体,其用于提供第一频谱内的第一电磁波和第二频谱内的第二电磁波,以便将金刚石材料激励至发荧光。用于检测荧光的荧光强度的传感器;分析装置,其用于在使用荧光强度和第二电磁波的频率的情况下求取磁场的场强;和确定装置,其用于在使用磁场强度的情况下确定电流的电流强度。有利的还有一种计算机程序产品或具有程序代码的计算机程序,该程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且特别是当程序产品或程序在计算机或设备上实施时用于执行、实现和/或控制根据前述实施方式之一的方法的步骤。附图说明下面借助附图示例性地详细解释在此提出的方案。其中:图1示出根据本发明的一个实施例的电流传感器的框图;图2示出根据本发明的一个实施例的用于测量电流的方法的流程图;图3示出根据本发明的一个实施例的具有氮插入和缺陷的金刚石材料的图示;图4a、4b、4c示出根据本发明的一个实施例的在附加的微波激励下通过荧光测量的电流测量的功能原理和能量图;图5示出根据本发明的一个实施例的金刚石材料的晶体结构中的缺陷的可能位置的图示;图6示出根据本发明的一个实施例的与金刚石材料的晶体结构中的缺陷的位置相关的局部强度最小值;图7示出根据本发明的一个实施例的电流传感器的图示;图8a、8b示出根据本发明的实施例的电流传感器的装配示例;以及图9a、9b示出根据本发明的一个实施例的在附加的微波激励下通过荧光测量的温度测量的功能原理和能量图。在本发明的适宜实施例的随后描述中,对于在不同的图中示出的并且起相似作用的元素使用相同或相似的附图标记,其中放弃对这些元素的重复描述。具体实施方式图1示出根据本发明的一个实施例的电流传感器100的框图。电流传感器100具有金刚石材料102、发射体104、传感器106和分析装置108。磁场传感器100被构造用于测量磁场110。为了测量磁场110,金刚石材料102遭受磁场110。金刚石材料102在金刚石材料102的晶格中具有至少一个氮插入112和与氮插入112相邻的缺陷114。氮插入112和缺陷114一起形成晶格中的氮缺陷中心116。发射体104被构造用于提供电磁波118,以便激励金刚石材料102。传感器106被构造用于检测金刚石材料102的荧光122的强度120。分析装置108被构造用于在使用荧光强度120和电磁波118的频率126的情况下求取磁场110的场强124。在使用场强和电磁感应定律的情况下可以确定引起磁场110的电流强度。电流强度可以在单独的或集成到电流传感器100中的确定装置中确定。在一个实施例中,分析装置108被构造用于控制发射体104,以便实施磁场110的测量。对此,分析装置108提供控制信号128。发射体104在此具有用于提供光谱内的电磁波118或光132的光源130。发射体104还具有用于提供微波谱内的电磁波118或微波136的微波发射器134。分析装置108可以控制光源130和/或微波发射器134的频率126和/或强度。磁场110特别是由电导体140中的电流流动138所产生。电流传感器100与电导体140相邻地布置,使得当电流138流经导体140时磁场110穿过金刚石材料102。在一个实施例中,电流传感器100具有用于提供参考磁场144的参考磁场源142。通过在其定向和其强度上已知的参考磁场144,以已知的方式将金刚石材料102激励至发荧光。因为金刚石材料102通过光132和微波136来激励,所以电流传感器100在一个实施例中在金刚石材料102和传感器106之间具有光学滤波器146。通过滤波器146,来自金刚石的光谱148的不期望的组成部分(诸如发射体130的光放射132中的部分)从荧光信号148中滤出,以便获得荧光122并且能够少干扰地探测所述荧光122。在此提出的方案提出了在单独的传感器元件102中具有高的动态性的电流传感器100。所提出的解决方案基于使用金刚石102中的NV中心116。金刚石中的NV中心对外部磁场110极其灵敏地反应并且基于塞曼效应、即金刚石晶体102的NV中心116中的量子化状态的分裂。该分裂对于在若干纳特斯拉(nT)直至1000T的磁场强度范围上的磁场变化线性地反应。通过将NV传感器100安装到电线路140上,可以在电流流动138的情况下检测由感应引起的磁场变化110并且然后可以通过该磁场变化反推算出电导体140中的电流强度138。在这里提出的方案中,金刚石102中的NV中心116被用于极其准确并且无接触地测量由电流138引起的磁场110。通过反推算,可以在使用电磁感应定律的情况下推断出电流强度。通流的电导体140周围间距r处的由感应引起的磁场110通过下式计算:其中具有磁场常数μ0和导体140中的电流I。该传感器元件100的核心要素是通过集成的光发射体130(LED或VCSEL)的光学激励、配备有NV中心116的金刚石晶体102、直接在金刚石薄膜102附近的微波条带天线134、用于过滤来自金刚石的光谱148(来自发射体132的放射+荧光122)的光学滤波器层146以及在金刚石薄膜102下的探测NV中心116的荧光122的集成光电二极管106。优点首先在于,测量原理所基于的NV中心116中的电子状态的塞曼分裂在极高的场强范围内对外部磁场110线性反应,传感器100因此在原理上适合于在从毫安至1500A的极大测量范围内精确测量电流138。图2示出根据本发明的一个实施例的用于测量电流的方法200的流程图。该方法200可以在使用如例如在图1中示出的电流传感器的情况下实施。电流传感器具有金刚石材料,该金刚石材料在金刚石材料的晶格中具有至少一个氮插入和与氮插入相邻的缺陷。金刚石材料被布置成,使得该金刚石材料被由导体中的电流流动所引起的磁场穿过。该方法200具有提供的步骤202、检测的步骤204和分析的步骤206。该方法200还具有确定的步骤208。在提供的步骤202中提供用于激励金刚石材料的电磁波。在检测的步骤204中检测金刚石材料的荧光的强度。在分析的步骤206中分析荧光强度和电磁波的频率,以便求取磁场的磁场强度。在确定的步骤208中在使用场强和处理规则的情况下确定导体中的引起磁场的电流流动。在此,处理规则反映导体和电流传感器之间的几何关系。在提供的步骤202中,可以在一个实施例中提供具有参考场强和参考场方向的参考磁场,以便将金刚石材料激励至发参考荧光。在分析的步骤206中,还可以在使用参考场强和参考场方向的情况下求取场强。图3示出根据本发明的一个实施例的具有氮插入112和缺陷114的金刚石材料102的图示。金刚石材料102基本上对应于图1中的金刚石材料。金刚石材料102具有由碳原子302构成的四面体晶体结构300或立方体晶格300。在此,每个碳原子302具有四个彼此以近似109.5度的角度定向的化学键304。氮插入112由氮原子112组成,该氮原子取代碳原子302插入到晶格300中。在此,氮原子112仅仅具有三个至碳原子302的化学键304。在第四个碳原子应该布置的位置处,缺陷114与氮原子112直接相邻地布置在晶格300中。因此,缺陷114对应于晶体结构300中的空位。三个与缺陷114相邻的碳原子302各具有一个空着的或自由的化学键。换句话说,图3示出金刚石106中的氮晶格空位中心116或氮缺陷中心116。碳原子302由氮原子112取代,直接相邻的碳原子在金刚石晶格300中缺失作为晶格空位114。图4a、4b、4c示出根据本发明的一个实施例的在附加的微波激励136下通过荧光测量的电流测量的功能原理和能量图。在此,金刚石材料同时利用光132和微波能量136来激励。借助多维图400示出功能原理。在图形中,在横轴上绘出微波激励136的激励频率的频谱。在此提供2500MHz和3200MHz之间的频率。在纵轴上绘出荧光122的强度120。在图形中相叠地示出强度120的四个变化曲线402、404、406、408。变化曲线402、404、406、408代表在磁场的四个不同场强下的荧光122的强度120。在此,第一变化曲线402代表在没有磁场的情况下在频谱上的荧光120。第一变化曲线402具有在2900MHz激励频率处的局部最小值。在微波频率与3A和ms+-1能级之间的能隙一致的情况下发生荧光的突降。第二变化曲线404代表在具有2.8毫特斯拉(mT)的磁场强度的情况下在频谱上的荧光122。第二变化曲线404具有在ω1和ω2处的两个局部最小值。第三变化曲线406代表在具有5.8毫特斯拉(mT)的磁场强度的情况下在频谱上的荧光122。第三变化曲线406同样具有两个局部最小值。在第三变化曲线406的最小值之间比在第二变化曲线404的最小值之间存在更大的频率间距。第四变化曲线408代表在具有8.3毫特斯拉(mT)的磁场强度的情况下在频谱上的荧光122。第四变化曲线408也具有两个局部最小值,所述两个局部最小值又具有比第三变化曲线406的最小值更大的频率间距。在外部磁场的情况下,ms+-1能级分裂并且存在两个所定义的微波频率,在所述两个微波频率下荧光122下降。在此,频率间距与磁场成比例。为了分析,可以在电磁波136的第一频率下分析第一局部强度最小值。此外,可以在电磁波136的第二频率下分析第二局部强度最小值。可以在使用频率之间的频率间距的情况下求取场强。当电磁波136作为频率变化曲线来提供时,可以检测荧光122的强度变化曲线402、404、406、408。场强可以通过频率变化曲线和强度变化曲线402、404、406、408之间的关系来求取。金刚石中的NV中心具有图4中示出的能谱。在没有微波136和没有磁场的正常状态中,NV中心在光学激励下示出红色波长范围内的荧光122。如果除了光学激励132之外还有微波辐射136射入,则在2.88GHz处发送荧光122的突降,因为电子在该情况下从3A状态的m+-1能级跃迁到3E状态的m+-1能级并且从哪里无辐射地复合。在有外部磁场的情况下,发生m+-1能级的分裂(塞曼分裂)并且在关于微波激励136的频率绘制荧光122时表现出在荧光谱404、406、408中的两个突降,所述两个突降的频率间距与磁场强度成比例。在此,磁场灵敏度通过最小可分辨的频率移动来定义并且可以高达100pT/√Hz。图5示出根据本发明的一个实施例的金刚石材料102的晶体结构300中的缺陷114的可能位置的图示。在此,同时示出缺陷114可以如何关于氮原子112布置的所有四种可能性。其中,在氮缺陷中心116中分别四个位置中的仅仅一个是可能的。换句话说,图5示出金刚石102的晶体晶胞300。在该晶胞300中,NV中心116具有四种布置在晶体中的可能性。因为磁场方向B和晶轴之间的角度对于每个晶轴500是不同的,所以根据相应的晶体方向在NV中心116中发生不同强度的频率分裂。这导致在荧光谱中的荧光突降的高达四个相关联的对,如其在图6中示出那样。通过针对每个晶体方向分析频率间距可以提取磁场方向和强度。因为NV中心116在单晶的金刚石102中具有四种布置在晶格300中的可能性,所以在存在定向的磁场时发生,在晶体300中存在的NV中心116根据在晶体300中的位置对外部磁场不同强度地进行反应。由此在最大情况下可以在谱中显露出荧光最小值的四个彼此相关的对,从所述荧光最小值彼此间的形状和位置可以明确地确定磁场的值和方向。图6示出根据本发明的一个实施例的与金刚石材料的晶体结构中的缺陷的位置相关的局部强度最小值600。强度最小值600如图4中那样在图形400中绘出,该图形在横轴上绘出激励频率的频谱并且在纵轴上绘出荧光的强度120。强度最小值600在此与图5中相应标记的晶轴相一致。该特性可以在所提出的电流传感器中被用于将由电流引起的场与外部干扰场相区分,由电流引起的场围绕着通流的导体径向形成,其方向因此是已知的。图7示出根据本发明的一个实施例的电流传感器100的图示。该电流传感器基本上对应于图1中的电流传感器。在该实施例中,电流传感器100被实施为用于无接触电流测量的单片集成的磁传感器100。光源130作为LED或VCSEL激光芯片接合到Si光电二极管106上。用于过滤激励光132的光学滤波器146处于光电二极管106上,在该光学滤波器上存在夹杂有NV中心116的金刚石层102。用于耦合输入微波辐射的RF条带天线132处于光电二极管106的边缘处。换句话说,图7示出基于金刚石102中的NV中心的电流传感器100。电流的精确测量对于多种应用是电系统和设施中的不可放弃的组成部分。在此示例性提及的是用于准确计算所购进的或导出到电网中的功率的电表或PV逆变器中的电功率的检测、在电动或混合动力车辆或太阳能电池存储器中的电池管理。最后也将电流测量设备用于探测电流尖峰和相应的电保险系统。作为迄今为止的解决方案存在基于霍尔效应的电流传感器、磁通门传感器或简单的灯丝保险装置或针对用于防止过电压或电流的应用的安全自动装置。霍尔传感器或磁通门传感器可能对于电动或混合动力车辆中的负载要求不具有足够的动态性,以至于不能可靠地测量mA直至1500安培的电流。在迄今针对该情况使用的通过在微欧姆范围内的分流电阻上的电压测量的解决方案中,很小的电流仅仅提供小的电压信号并且因此在其测量精确度上受到限制。在此示出的电流传感器100特别适用于汽车中的电池管理,因为该电流传感器可以在六个数量级上可靠地检测例如1mA至1500A的范围内的电流。示出一种针对基于NV取代的金刚石晶体102的单片集成的传感器元件100的可能实现。作为光源130考虑LED结构或VCSEL。为了单片集成而合理的是LED或VCSEL芯片130或通常由III/V半导体材料构成的晶片通过芯片至晶片或芯片至芯片的接合方法来接合到Si晶片上,该Si晶片包含其他必要的传感器元件、金刚石层102、光学滤波器146、光电二极管106和RF天线132。适合于制造最后提及的部件的是,首先将光电二极管106结构化到Si晶片中。该光电二极管由例如可以通过离子注入在使用投影掩膜的情况下结构化的p和n掺杂的区域构成。然后,将光学滤波器层146施加到光电二极管106上。可能的实施方案例如是介电滤波器、具有半透明的金属镜的微腔、色素滤波器或胞质团滤波器。NV掺杂的金刚石层102然后可以作为单独制造的部件接合到Si晶片上。替代地,金刚石层102的集成CVD沉积也是可以的。微波天线132可以实施为Si晶片上的金属条带线路。为了简化电流引起的磁场的分析,能够有利的是,将参考磁场整合到传感器元件100中。这例如可以通过通流的能够以薄层金属化技术制造的线圈或通过永磁材料来产生。图8a和8b示出根据本发明的实施例的电流传感器100的装配示例。在图8a中,单个电流传感器100通过机械载体800固定在电导体140上。在图8b中,两个同样的电流传感器100通过机械载体800固定在相同的电导体140上。电流传感器彼此旋转180度地布置。换句话说,图8a和8b示出NV传感器100在电导体140上的安置。基于NV中心的传感器芯片100例如可以粘贴到机械载体800上,该机械载体可以固定到导体140上。机械载体800被实施成,使得该机械载体始终保证导体140和传感器元件100之间的相同间距,因为所产生的待测量的磁场非常强烈地依赖于到导体140的间距r。为了最小化散射场影响,能够有利的是,使用具有例如90度的角度差的两个传感器元件。在使用场强和电磁感应定律的情况下可以求取引起磁场的电流强度。为了进一步最小化干扰场对测量信号的影响,存在以下可能性,即第二传感器元件100与第一传感器元件100直接相邻地安置到电线路140上,但是该第二传感器元件却在径向上错位180度地处于电导体140上。因此也可以滤出这样的干扰场,所述干扰场随机地同样在第一传感器元件100的装配位置处的径向方向上伸展。通过两个传感器元件100的绝对磁场的求平均可以抵消干扰场。图9a和9b示出根据本发明的一个实施例的在附加的微波激励下通过荧光测量的温度测量的功能原理和能量图。在图9a中示出在低的温度或室温下的金刚石材料102的晶格300。在图9b中示出在提高的温度下的晶格300。由于温度差,得出金刚石材料在两个温度之间的大区别。除了晶格300之外,分别是能量图和图形400,如在图4和6中那样,图形400示出在激励的频谱上的荧光的强度120。如果晶格300膨胀,则局部最小值朝着更低的频率移动。由此可以从最小值的频率计算出金刚石材料102的温度。换句话说,图9示出具有NV中心的温度测量。在温度变化、在此图9a和9b之间的温度提高的情况下,晶体300各项同性地膨胀并且在荧光谱中出现的荧光突降对于所有晶轴均匀地朝着更小的频率移动。为了简化,这在此仅仅针对一个晶轴示出。由于外部磁场所致的分裂在此维持并且不受温度变化影响。通过附加的分析算法可以检测传感器元件102上的温度。在温度提高的情况下发生金刚石晶体102的体积膨胀。由此,基础能级与NV中心的m-1和m+1能级的能量重心的能隙减小,这伴随着相关联的荧光最小值的均匀的频率移动。所述各项同性的移动不影响塞曼分裂的值,这能够实现与磁场无关地确定温度。电流传感器的装配位置处的附加的温度测量可以多种多样地利用。例如温度测量可以用作通过测量所感应的磁场和测量电导体的由于欧姆损耗所引起的加热来对电流测量值的合理性检查,所述欧姆损耗同样与电流强度成比例。同样,温度测量可以用于监视电池的温度,只要传感器直接安置在电池的电池接触部上。最后,温度测量可以用于报警以免电缆燃烧。所描述的并且在附图中示出的实施例仅仅示例性地选择。不同实施例可以完全或关于各个特征相互组合。一个实施例也可以通过另一实施例的特征来补充。此外,在此提出的方法步骤可以重复以及以不同于所描述的顺序来实施。如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”连接,则这应该理解为,实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征,并且根据另一种实施方式或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。...
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