專(zhuān)利名稱(chēng)：巨磁電阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種用于電流測(cè)量的傳感器，尤其涉及一種通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換部件來(lái)測(cè)取電流值的巨磁電阻傳感器。
在電子產(chǎn)品和輸變電系統(tǒng)中通常需要使用電流測(cè)量設(shè)備，傳統(tǒng)測(cè)量手段一般基于以下三種方法第一種利用歐姆法則，在被測(cè)電路上串聯(lián)一已知電阻，然后根據(jù)電阻上的電壓降來(lái)計(jì)算電流的大??；第二種使用互感線圈，通過(guò)閉合回路內(nèi)磁通量變化感生的電流大小來(lái)計(jì)算電流大??；第三種使用霍爾元件，通過(guò)外加軟磁心聚磁的方法測(cè)量電流。
通過(guò)串聯(lián)一已知電阻測(cè)量電流的方法應(yīng)用非常有限，一般在實(shí)驗(yàn)室等情況下采用。在高壓、超高壓輸變電系統(tǒng)中，現(xiàn)在一般采用互感式電流傳感器。此類(lèi)傳感器體積大、造價(jià)高，笨重，安裝難度大，而且由于初級(jí)與次級(jí)不能相互隔離，絕緣難度大，容易引起爆炸，存在危險(xiǎn)性。
在電力系統(tǒng)中使用的計(jì)量?jī)x表如電度表，其核心部件就是電流傳感器，現(xiàn)在通常采用穿心互感線圈感應(yīng)來(lái)獲取電流信號(hào)。這種方法具有可靠性，但是也存在體積大、造價(jià)高等缺點(diǎn)，另外測(cè)量量程有限制，通常電度表有不同量程供用戶選擇就是這個(gè)原因，當(dāng)然有可以換檔的電度表，但造價(jià)更高。
霍爾元件在電子產(chǎn)品及電流測(cè)量?jī)x表等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是存在以下幾個(gè)問(wèn)題1)響應(yīng)頻率較低，在100KHz左右；2)霍爾元件輸出的是電壓信號(hào)，在高壓、超高壓測(cè)量時(shí)會(huì)受到干擾；3)霍爾元件測(cè)量的是垂直面內(nèi)的磁場(chǎng)，在測(cè)量電流時(shí)，為了提高靈敏度，使更多的磁力線通過(guò)傳感器，必須使用軟磁芯聚磁。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種方便，價(jià)廉而又可靠的巨磁電阻傳感器，它尤其適用于高壓、超高壓系統(tǒng)，且可連續(xù)測(cè)量電流大小。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型提供一種巨磁電阻傳感器，它采用惠斯凳橋式結(jié)構(gòu)，四臂電阻為自旋閥結(jié)構(gòu)的多層膜電阻，該電阻可產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型進(jìn)一步提供的巨磁電阻傳感器，在所述的巨磁電阻傳感器中的相對(duì)兩臂的多層膜電阻周?chē)熊洿挪牧?，使被屏蔽的電阻?duì)外界磁場(chǎng)不敏感，且對(duì)另外兩臂電阻而言又有磁通會(huì)聚作用。
本實(shí)用新型由于采用上述結(jié)構(gòu)，巨磁電阻具有對(duì)在某方向磁場(chǎng)發(fā)生巨大變化的特點(diǎn)，即巨磁電阻效應(yīng)，因此電路靈敏度高，測(cè)試結(jié)果精度高，可用于高壓和超高壓系統(tǒng)中；并由于此電路為簡(jiǎn)單的惠斯凳橋式電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，造價(jià)低廉，電路可靠性好。另外由于使用軟磁材料，增強(qiáng)了屏蔽和聚磁作用，使測(cè)試靈敏度提高2-100倍，因此此種結(jié)構(gòu)的電流傳感器具有很寬的電流測(cè)試范圍。


圖1為本實(shí)用新型的巨磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖2為如圖1所示的巨磁電阻傳感器輸出對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)曲線圖3為電流測(cè)試時(shí)傳感器與電流的相對(duì)位置關(guān)系示意圖圖4為放大整流顯示電路原理圖圖5為如圖1所示的巨磁電阻傳感器和圖4所示的放大整流顯示電路的工作電源
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的巨磁電阻傳感器具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
本實(shí)用新型包括一個(gè)巨磁電阻(GMR)傳感器，磁體及相應(yīng)的放大整流顯示電路。該傳感器對(duì)外加磁場(chǎng)敏感，而通電導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生一個(gè)與電流大小相關(guān)的磁場(chǎng)，因而該結(jié)構(gòu)可以測(cè)量電流。
如圖1所示該實(shí)用新型的巨磁電阻傳感器采用惠斯凳橋式結(jié)構(gòu)，其四臂電阻3、4為自旋閥結(jié)構(gòu)的多層膜(膜厚為納米量級(jí))電阻。該電阻3、4具有在某方向磁場(chǎng)作用下發(fā)生巨大變化的特點(diǎn)，即巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。配合以適當(dāng)?shù)墓ぷ骶€路，則這種電阻變化可轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化，進(jìn)而顯示為測(cè)試電流的值。同時(shí)，為增加對(duì)微小電流的測(cè)試靈敏度。我們的巨磁電阻傳感器中還采用了磁屏蔽和聚磁通技術(shù)。即用軟磁材料5將橋式結(jié)構(gòu)相對(duì)兩臂的屏蔽電阻4屏蔽，使被屏蔽的電阻對(duì)外界磁場(chǎng)不敏感。通過(guò)合理的布局(見(jiàn)下述)，則磁屏蔽體對(duì)另外兩臂電阻而言，又有磁通會(huì)聚的作用，增強(qiáng)了外場(chǎng)對(duì)該兩臂電阻的作用效果，也即增強(qiáng)了該傳感器對(duì)外場(chǎng)的測(cè)試靈敏度。
該增強(qiáng)作用可通過(guò)選擇不同的屏蔽材料及調(diào)整結(jié)構(gòu)中的相對(duì)位置而予以調(diào)整。這種調(diào)整作用可使測(cè)試靈敏度提高2—100倍。因此這種結(jié)構(gòu)的電流傳感器具有很寬的電流測(cè)試范圍，現(xiàn)在的水平是高至2000安培，還有進(jìn)一步提高的余地。
該傳感器對(duì)外場(chǎng)有較大的線形響應(yīng)范圍，但極低場(chǎng)下的線性與高場(chǎng)下的線性不一致，導(dǎo)致較大的測(cè)試誤差。為實(shí)現(xiàn)電流計(jì)量的0安培要求，我們采用對(duì)傳感器外加可產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)的磁體方法，使其起始工作點(diǎn)移至高場(chǎng)線性區(qū)，得到了滿意的效果。
所述磁體可為永磁體或通電導(dǎo)線。永磁體可以是各種結(jié)構(gòu)，各種形狀，對(duì)磁性能大小也沒(méi)有具體的要求。但磁體的結(jié)構(gòu)，大小及磁場(chǎng)大小決定了磁體相對(duì)于傳感器的位置。該位置結(jié)合儀表監(jiān)視傳感器在通電情況下的輸出信號(hào)確定。對(duì)于通電導(dǎo)線，其方向，位置及電流的大小用同上的方法確定。
調(diào)整偏置磁場(chǎng)的大小，可以使該傳感器適應(yīng)交直流測(cè)試的要求。
該傳感器對(duì)外加的響應(yīng)有方向的要求，即存在磁敏感軸6(如圖1所示)。因此要求測(cè)試電流時(shí)電流的流向8應(yīng)接近垂直于傳感器的敏感軸6方向，則電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)近似沿磁敏感軸6方向。
巨磁電阻(GMR)傳感器為有源器件，為將其電阻隨外場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，必須為它提供工作電壓或電流。如圖1所示巨磁電阻傳感器采用半導(dǎo)體工藝集成，它為惠斯凳電橋電路結(jié)構(gòu)，四個(gè)臂上的電阻3、4依次串聯(lián)。在其中相對(duì)兩端1、1’的輸出端為工作電壓或電流接入端，另外兩端2、2’為傳感器的信號(hào)輸出端，特殊的場(chǎng)合下有軟磁材料5，其沉積在傳感器及磁路結(jié)構(gòu)的附著基底10或覆蓋在多層膜電阻結(jié)構(gòu)之上。其作用對(duì)電阻4而言是磁屏蔽作用，使得屏蔽電阻4對(duì)于外場(chǎng)不敏感；而對(duì)于非屏蔽電阻3來(lái)說(shuō)，則起到聚磁通的作用，即放大了外磁場(chǎng)對(duì)非屏蔽電阻3的作用，增強(qiáng)了傳感器對(duì)外場(chǎng)的靈敏性，也即增強(qiáng)了傳感器測(cè)試小電流的能力。調(diào)整軟磁材料5與非屏蔽電阻3之間的距離d，可改變聚磁通對(duì)電阻的作用效果。該調(diào)整作用與較多因素有關(guān)，但大致可估算為圖上b與d的比值。從而調(diào)整傳感器對(duì)電流的測(cè)試范圍。只有外磁場(chǎng)在傳感器的敏感軸方向6存在不為零的分量時(shí)，傳感器才有相應(yīng)的輸出響應(yīng)。傳感器的附著基底10大小為436μm×3370μm。
圖2為傳感器輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)曲線，圖中外加偏置磁場(chǎng)H’，可保證輸出電壓與外場(chǎng)間(在圖上H1、H2之間)呈線性關(guān)系。
圖3為電流測(cè)試時(shí)傳感器7與電流8間的相對(duì)位置。其中傳感器7的敏感軸方向6與電流8相垂直，即電流8產(chǎn)生的磁場(chǎng)9的方向沿傳感器的敏感軸6方向。
圖4為放大整流顯示電路。其中放大部分13、整流部分14和顯示部分15依次串聯(lián)。需要說(shuō)明的是，該電路用于交流測(cè)試時(shí)，需將圖中各開(kāi)關(guān)至于交流檔AC位置，不需調(diào)零；當(dāng)用于直流測(cè)試時(shí)，需將圖中各開(kāi)關(guān)至于直流檔DC位置，需經(jīng)調(diào)零電位器R0進(jìn)行調(diào)零。
圖5為巨磁電阻傳感器和放大顯示電路的工作電源。其中一輸出端11為巨磁電阻傳感器和具有A/D轉(zhuǎn)換功能標(biāo)準(zhǔn)表的工作電源12，輸出電壓為9V，其接地端不能與電路其他部分共地；另一輸出端輸出電壓為5V，為放大部份13和整流部分14提供工作電壓。
以上設(shè)計(jì)能廣泛地用于對(duì)大小電流的測(cè)試。具有非接觸，測(cè)試靈敏度高，精度好的特點(diǎn)。尤其當(dāng)用于大電流、高電壓場(chǎng)合時(shí)，具有操作簡(jiǎn)單，安全的突出優(yōu)點(diǎn)。是現(xiàn)用電流傳感器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
權(quán)利要求1.一種巨磁電阻傳感器，其特征是，它采用惠斯凳橋式結(jié)構(gòu)，四臂電阻(3、4)為自旋閥結(jié)構(gòu)的多層膜電阻，該電阻(3、4)可產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的巨磁電阻傳感器還包括將橋式結(jié)構(gòu)相對(duì)兩臂的多層膜電阻屏蔽的軟磁材料(5)，使被屏蔽的電阻對(duì)外界磁場(chǎng)不敏感，且對(duì)另外兩臂電阻而言又有磁通會(huì)聚作用。
3.如權(quán)利要求1或2所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的巨磁電阻傳感器還包括能產(chǎn)生外加偏置磁場(chǎng)的磁體。
4.如權(quán)利要求3所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的磁體為永磁體或通電導(dǎo)線。
5.如權(quán)利要求1或2所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的巨磁電阻傳感器還包括放大整流顯示電路，它包括可來(lái)回切換進(jìn)行交流或直流測(cè)試的放大部份(13)、整流部份(14)和顯示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串聯(lián)。
6.如權(quán)利要求3所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的巨磁電阻傳感器還包括放大整流顯示電路，它包括可來(lái)回切換進(jìn)行交流或直流測(cè)試的放大部份(13)、整流部份(14)和顯示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串聯(lián)。
7.如權(quán)利要求4所述的巨磁電阻傳感器，其特征是所述的巨磁電阻傳感器還包括放大整流顯示電路，它包括可來(lái)回切換進(jìn)行交流或直流測(cè)試的放大部份(13)、整流部份(14)和顯示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串聯(lián)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及到一種用于電流測(cè)量的傳感器,它采用惠斯凳橋式結(jié)構(gòu),四臂電阻為自旋閥結(jié)構(gòu)的多層膜電阻,該電阻可產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)。在所述的巨磁電阻傳感器中的相對(duì)兩臂的多層膜電阻周?chē)熊洿挪牧?使被屏蔽的電阻對(duì)外界磁場(chǎng)不敏感,且對(duì)另外兩臂電阻而言又有磁通會(huì)聚作用。本實(shí)用新型電路靈敏度高,測(cè)試結(jié)果精度高,可用于高壓和超高壓系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G01R19/00GK2466665SQ0120298
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月17日
發(fā)明者王林忠, 杜軍, 曾榮偉, 肖又專(zhuān), 庫(kù)萬(wàn)軍 申請(qǐng)人:深圳市華夏磁電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司