專利名稱：新型巨磁阻集成電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
新型巨磁阻集成電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于測量直流、交流、脈沖電流的GMR集成電流傳感器，具體 地說是一種新型巨磁阻集成電流傳感器，屬于電流測量裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電流傳感器用于探測和隔離測量直流、交流電流，廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀表、工業(yè)過程 控制和PCB電流檢查等。目前廣泛采用的電流測試器件或裝置主要有電流互感器、霍爾電 流傳感器等(圖1、圖2所示)。電流互感器通過主回路隔離進(jìn)行檢測，但它的測試頻率范 圍窄?；魻栯娏鱾鞲衅骼没魻栐y量被測電流在鐵芯氣隙里的感應(yīng)強(qiáng)度來判斷被測電 流大小的?；魻栐捏w積大，能耗較高，溫度特性較差。上個世紀(jì)八十年代末期，科學(xué)界 發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistive, GMR)，即磁性材料的電阻率在有外磁場作 用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu) 是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。鐵磁材料磁矩的方向是由加到鐵磁材料的 外磁場控制的，磁阻的變化正比于外磁場，從而可以實(shí)現(xiàn)將磁場變量轉(zhuǎn)換成電量，因此，根 據(jù)巨磁阻效應(yīng)可以設(shè)計(jì)一種新型巨磁阻集成電流傳感器。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一 種特別適用于對小電流的測量，響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好的新型巨磁阻集成電流傳感 器。為此，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻 單元及其電連接所構(gòu)成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導(dǎo)線，所述 的集成導(dǎo)線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離。當(dāng)被測電流通過集成電流導(dǎo)線時， 電流產(chǎn)生的磁場可被GMR惠斯通電橋檢測并將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。因此，當(dāng)有電流 流過集成電流導(dǎo)線時會在其周圍產(chǎn)生磁場，基于巨磁阻效應(yīng)，微小磁場變化可導(dǎo)致的磁性 材料電阻率的明顯變化，本實(shí)用新型的新型傳感器能夠靈敏準(zhǔn)確地感應(yīng)這個的磁場，可將 磁信號精確的轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而可將被測電流的大小輸出，進(jìn)行檢測。憑借巨磁電阻的高 靈敏度和良好頻率特性，該電流傳感器能夠?yàn)椴煌I(lǐng)域的電流測量提供精確可靠的解決方 案。此外，通過微細(xì)加工技術(shù)，將四個巨磁電阻與導(dǎo)線以一種特定的方式集成在一起，可實(shí) 現(xiàn)器件的小型化和低功耗。對于上述技術(shù)方案的完善和補(bǔ)充，可以增加如下技術(shù)特征或其組合所述的GMR磁敏電阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。蛇形電阻 均勻性好，能精確而敏銳地探測外界磁場的大小和變化，自旋閥材料刻蝕制造，便于生產(chǎn)， 成本較低。所述的GMR自旋閥材料是多層膜結(jié)構(gòu)，包括自上而下依次排列的釘扎層、被釘扎 層、非磁透明層和自由鐵磁層。其中釘扎層為反鐵磁性物質(zhì)，被釘扎層和自由鐵磁層為鐵磁性物質(zhì)，非磁性透明層為起隔離作用的非磁性物質(zhì)。釘扎層將被釘扎層的磁矩“釘扎”在某 一個固定的方向。當(dāng)被釘扎層和自由磁鐵層的磁矩方向平行時，這一結(jié)構(gòu)呈低阻態(tài)；當(dāng)兩者 的磁矩方向反平行時，這一結(jié)構(gòu)呈高阻態(tài)。因此，自旋閥材料的多層膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電阻值會 隨外界磁場的變化而發(fā)生改變，該特性可用于檢測集成電流導(dǎo)線通電時所產(chǎn)生的電磁場， 其測量范圍和精度優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器結(jié)構(gòu)。所述的自由鐵磁層材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復(fù)合層。所述的非磁透明層是Cu金屬層。所述的被釘扎層可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序?yàn)镃oFe合金層/Ru 金屬層/CoFe合金層的復(fù)合層。所述的釘扎層可為IrMn合金層、NiMn合金層、PtMn合金層或CrPtMn合金層。GMR磁敏電阻單元工作在線性模式下被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層 的交換耦合固定在磁場敏感方向上。而自由層的磁化方向沒被固定，可隨信號磁場而轉(zhuǎn)動。 在沒有外加磁場時，自由層的磁化方向與敏感方向成90°。當(dāng)有電流通過線圈時，就會在磁 場敏感方向上產(chǎn)生磁場，進(jìn)而引起GMR單元的電阻產(chǎn)生AR的變化量。所述的4個GMR磁敏電阻單元和集成電流導(dǎo)線上方設(shè)置有由高磁導(dǎo)率的軟磁材料 Ni、Fe、NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成的軟磁屏蔽層。為進(jìn)一步提高器件性能、屏蔽外來磁場的干擾和進(jìn)一步增大電橋的輸出，在GMR 電橋和集成導(dǎo)線上方可添一層軟磁屏蔽層，該軟磁屏蔽層由高磁導(dǎo)率的軟磁材料Ni、Fe、 NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成，其功能是屏蔽外界磁場對GMR磁敏電阻單元的影 響，同時當(dāng)有被測電流通入集成電流導(dǎo)線時，它還可以增強(qiáng)電流所產(chǎn)生的作于在GMR磁敏 電阻單元上的磁場強(qiáng)度。換言之，它不僅能提高傳感器的抗外界磁場干擾能力而且還能提 高傳感器對電流的靈敏度進(jìn)而增加電橋的輸出。所述的4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，所 述的第一電阻和第三電阻位于集成電流導(dǎo)線的輸入段，所述的第二電阻和第四電阻位于集 成電流導(dǎo)線的輸出段，所述的4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導(dǎo)線的相對位置形成輸出 “推_拉結(jié)構(gòu)”。由于GMR磁敏電阻單元的四個電阻位于集成電流導(dǎo)線的輸入段、輸出段的不同位 置，當(dāng)集成電流導(dǎo)線中有電流流過產(chǎn)生磁場時，其中兩個電阻的阻值增加，另外兩個阻值減 小。這樣惠斯通電橋就失去平衡，其輸出與在集成電流導(dǎo)線中被測電流I成正比。本實(shí)用新型利用GMR惠斯通電橋檢測集成電流導(dǎo)線中流過的電流，將電流產(chǎn)生的 磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，響應(yīng)速度快、測試頻率范圍廣、穩(wěn)定性好，可通過為精細(xì)加工工 藝制造層狀結(jié)構(gòu)，工藝簡單，便于制造，體積小、成本低。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的電流互感器的工作原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)霍爾電流傳感器的工作原理圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中GMR自旋閥材料的結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中GMR蛇形電阻的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的響應(yīng)速度曲線圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中GMR惠斯通電橋的簡化電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的版圖示意圖。圖中1、釘扎層，2、被釘扎層，3、非磁透明層，4、自由鐵磁層，5、軟磁屏蔽層，6、基 底，7、絕緣層，ri、GMR磁敏電阻與集成電流導(dǎo)線的距離，r2、集成電流導(dǎo)線的輸入段與輸出段 的距離，R1、第一電阻，R2、第二電阻，R3、第三電阻，R4、第四電阻。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)作進(jìn)一步的說 明。圖1、圖2分別為現(xiàn)有技術(shù)中電流互感器、霍爾電流傳感器的工作原理圖。如圖3所示，新型巨磁阻集成電流傳感器，包括位于基底6上的4個GMR磁敏電 阻單元R1、R2、R3、R4及其電連接所構(gòu)成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集 成電流導(dǎo)線，集成導(dǎo)線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層7隔離。4個GMR磁敏電阻單 元和集成電流導(dǎo)線上方設(shè)置有軟磁屏蔽層5。4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電 阻、第三電阻和第四電阻，所述的第一電阻和第三電阻位于集成電流導(dǎo)線的輸入段，所述的 第二電阻和第四電阻位于集成電流導(dǎo)線的輸出段。軟磁屏蔽層5是由高磁導(dǎo)率的軟磁材料 Ni,Fe,NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成。在本新型實(shí)用設(shè)計(jì)中，GMR惠斯通電橋與 集成電流導(dǎo)線間因夾有一絕緣層7(如Si3N4或Al2O3)而相互隔離。4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導(dǎo)線的相對位置形成輸出“推_拉結(jié)構(gòu)”。這種 結(jié)構(gòu)能使傳感器的輸出最大化。圖中的4個GMR磁敏電阻單元R1、R2、R3、R4都直接設(shè)置在 距離集成導(dǎo)線下A處，其中Rl和R3位于電流輸入導(dǎo)線段的下方，R2和R4位于電流輸出導(dǎo) 線段的下方。輸入導(dǎo)線段和輸出導(dǎo)線段間的距離為r2。在這種設(shè)置下，當(dāng)集成電流導(dǎo)線中 通有正向電流/時，輸入導(dǎo)線段在Rl和R3處產(chǎn)生的磁場方向和輸出導(dǎo)線段在R2和R4處 產(chǎn)生的磁場方向相反，使傳感器單元Rl和R3與R2和R4的電阻變化方向相反。如R1和 R3增大，則R2和R4減小；R1、R3的電阻減小，則R2、R4的電阻增大。這樣惠斯通電橋失去 平衡，其輸出與所加電流/成正比。它的輸出電壓為
Γ 7/ Vcc · GMR% (1Vout -^-―----I
nejf V\ rI )其中Γι 磁敏傳感器與集成導(dǎo)線之間的距離(um)r2 輸入集成導(dǎo)線與輸出集成導(dǎo)線間的距離(um)I 流過集成導(dǎo)線的電流(mA)Heff 自由層中的有效各向異性能等效磁場(Oe)Vcc:電源電壓(mV)Vout 電橋輸出電壓(mV)如圖4、5、6所示，GMR磁敏電阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。 GMR自旋閥材料是多層膜結(jié)構(gòu)，包括自上而下依次排列的釘扎層1、被釘扎層2、非磁透明層3和自由鐵磁層4。自由鐵磁層材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復(fù) 合層。非磁透明層是Cu金屬層。被釘扎層可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序?yàn)?CoFe合金層/Ru金屬層/CoFe合金層的復(fù)合層。釘扎層可為IrMn合金層、NiMn合金層、 PtMn合金層或CrPtMn合金層。被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層的交換耦合固定 在縱向(y方向)。而自由層的磁化方向沒被固定，可隨信號磁場的變化而轉(zhuǎn)動。GMR磁敏 電阻單元的電阻變化量AR隨自由層磁化方向而改變，并且正比于自由層磁化方向與χ軸 夾角的正弦值。由能量平衡關(guān)系可以推出，Δ R也因此正比于其感應(yīng)的磁場強(qiáng)度。如圖7所示，給出的是由圖3簡化提取出的惠斯通電橋電路。如圖8所示，軟磁屏蔽層5集成在GMR電橋和電流導(dǎo)線的正上方，可采用NiFe合 金層。它不僅可屏蔽外來磁場對GMR惠斯通電橋的干擾還可通過它的磁聚集效應(yīng)加大集成 電流導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的作用在GMR磁敏電阻單元上的磁場。從原理上講，增強(qiáng)的磁場最 多可接近無屏蔽層時電流所產(chǎn)生磁場的兩倍。這樣，GMR惠斯通電橋?qū)﹄娏鞯撵`敏度會大 大提高，從而使輸出進(jìn)一步增強(qiáng)。實(shí)際制造時，現(xiàn)在基底上沉積GMR多層膜，依次為自由鐵磁層4、非磁透明層3、被 釘扎層2、釘扎層1，然后刻蝕形成GMR磁敏電阻單元，沉積絕緣層，再刻蝕絕緣層形成接觸 孔，沉積連接金屬，將金屬層刻蝕形成GMR磁敏電阻單元之間的連線，使四個GMR磁敏電阻 單元構(gòu)成惠斯通電橋，然后第二次沉積絕緣層7，使惠斯通電橋與集成電流導(dǎo)線徹底隔離， 還可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)選擇性電鍍軟磁屏蔽層5、沉積鈍化層并刻蝕鈍化層以形成連接焊 盤的通孔，在完成元器件制作工藝后就可以進(jìn)行期間的切割和封裝，從而制成GMR集成電 流傳感器。根據(jù)應(yīng)用的不同，封裝可采用多用形式。本實(shí)用新型的制造需要利用為精細(xì)加工技術(shù)，元器件制造工藝簡單，通過在原始 基底上經(jīng)過沉積、刻蝕、電鍍、鈍化等一系列微精細(xì)加工工藝后即可制作完成。以上附圖所示的新型巨磁阻集成電流傳感器是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，已經(jīng)體 現(xiàn)出本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步，可根據(jù)實(shí)際的使用需要，對GMR磁敏電阻單元及惠斯 通電橋的電路、規(guī)格、材質(zhì)以及排列方式等方面進(jìn)行修改，在此不多贅述。
權(quán)利要求新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻單元及其電連接所構(gòu)成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導(dǎo)線，所述的集成導(dǎo)線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的GMR磁敏電 阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的GMR自旋 閥材料是多層膜結(jié)構(gòu)，包括自上而下依次排列的釘扎層、被釘扎層、非磁透明層和自由鐵磁 層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的自由鐵磁層 材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復(fù)合層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的非磁透明層 是Cu金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的被釘扎層可 為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序?yàn)镃oFe合金層/Ru金屬層/CoFe合金層的復(fù)合層。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的釘扎層可為 IrMn合金層、NiMn合金層、PtMn合金層或CrPtMn合金層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所 述的4個GMR磁敏電阻單元和集成電流導(dǎo)線上方設(shè)置有由高磁導(dǎo)率的軟磁材料Ni、Fe、NiFe 合金、NiFeB合金的一種或多種組成的軟磁屏蔽層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所 述的4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，所述的第一電 阻和第三電阻位于集成電流導(dǎo)線的輸入段，所述的第二電阻和第四電阻位于集成電流導(dǎo)線 的輸出段，所述的4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導(dǎo)線的相對位置形成輸出“推_拉結(jié) 構(gòu)，，。
專利摘要新型巨磁阻集成電流傳感器，屬于電流測量裝置技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)為電流互感器、霍爾電流傳感器，測試頻率范圍窄，體積大，能耗較高，溫度特性較差。本實(shí)用新型其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻單元及其電連接所構(gòu)成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導(dǎo)線，所述的集成導(dǎo)線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離，其優(yōu)點(diǎn)在于利用GMR惠斯通電橋檢測集成電流導(dǎo)線中流過的電流，將電流產(chǎn)生的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，響應(yīng)速度快、測試頻率范圍廣、穩(wěn)定性好，可通過為精細(xì)加工工藝制造層狀結(jié)構(gòu)，工藝簡單，便于制造，體積小、成本低。
文檔編號G01R19/00GK201622299SQ200920153359
公開日2010年11月3日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者錢正洪 申請人:錢正洪