本實用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域,特別涉及一種具有集成電流線圈的磁電阻電流傳感器。
背景技術(shù):
電流傳感器廣泛應(yīng)用于能量監(jiān)測、漏電流保護、電流測量等工業(yè)、民用領(lǐng)域。起初,人們用低阻值高精度電阻與電流主線串聯(lián),通過測量電阻兩端的電壓來計算電流主線上的電流。這種方法需要高精度的電阻,否則無法控制電流測量的精度;而且在測量大電流時,電阻上的電壓降會非常高,帶來的結(jié)果是電阻功耗加大,浪費了大量的能源;而且電阻發(fā)熱進而會導(dǎo)致電阻值的變化,導(dǎo)致電阻電壓降的誤差,限制了電流測量的精度。
目前的電流傳感器主要是用霍爾元件電流傳感器,根據(jù)有無反饋電路,分為開環(huán)型電流傳感器和閉環(huán)型電流傳感器。由于霍爾元件的溫度穩(wěn)定性比較差,即在同一磁場條件下,輸出信號隨外界溫度的變化較大。特別是在測量大電流時,由于大電流的存在,會導(dǎo)致器件溫度升高,于是會傳感器輸出信號產(chǎn)生誤差,影響電流測量的精度。其次,霍爾元件的噪聲比較大,在測量微弱電流時,噪聲信號也會對電流測量的精度產(chǎn)生影響。
在實際應(yīng)用中,被測電流導(dǎo)線和霍爾元件是兩個部件,在安裝時,如果位置控制不好,會直接導(dǎo)致霍爾元件輸出和電流大小之間關(guān)系的誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
實用新型目的:
本實用新型提出了一種具有集成電流線圈的磁電阻電流傳感器,用磁電阻元件代替霍爾元件,可以提高磁感應(yīng)器件的工作穩(wěn)定性,提高信噪比,減小電流測量誤差。利用微細加工的方法,將被測電流導(dǎo)線與磁電阻元件集成在一起,可以顯著提高被測電流和磁電阻元件的空間關(guān)系,進而提高電流傳感器的測量精度。不同橋臂的磁電阻交替排列,可以減小不同磁電阻的失配問題,提高電流傳感器的線性度。
技術(shù)方案:本申請?zhí)峁┝艘环N具有集成電流線圈的磁電阻電流傳感器,
包括襯底、磁電阻、焊盤、次級線圈、鍵合引線,
磁電阻由至少兩個磁電阻橋臂構(gòu)成,每個磁電阻橋臂由磁電阻單元串構(gòu)成,所述的磁電阻單元串包括一個磁電阻單元或者多個串聯(lián)的磁電阻單元;
其中一個磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列;所述次級線圈集成在所述襯底上,所述次級線圈與所述磁電阻構(gòu)成開環(huán)結(jié)構(gòu)的電流傳感器。
本申請還提供了另一種具有集成電流線圈的磁電阻電流傳感器,
包括襯底、磁電阻、焊盤、次級線圈、鍵合引線以及初級線圈,
磁電阻由至少兩個磁電阻橋臂構(gòu)成,每個磁電阻橋臂由磁電阻單元串構(gòu)成,所述的磁電阻單元串包括一個磁電阻單元或者由多個串聯(lián)的磁電阻單元;
其中一個磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列;
所述次級線圈集成在所述襯底上,所述初級線圈和所述次級線圈以及所述磁電阻構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的電流傳感器。
優(yōu)選的,所述磁電阻單元包括依次沉積的底部電極層、種子層、釘扎層、被釘扎層、隔離層、自由層、偏置層以及頂部電極層。
優(yōu)選的,所述隔離層為非磁性導(dǎo)體或者非磁性絕緣體,所述自由層為高磁導(dǎo)率材料層。
優(yōu)選的,所述偏置層在所述自由層產(chǎn)生的偏置磁場的方向垂直于所述被釘扎層的磁化方向。
優(yōu)選的,所述磁電阻的電路形式是推挽半橋、參考半橋、梯度半橋、準半橋、推挽全橋、參考全橋、梯度全橋或者準全橋。
優(yōu)選的,所述次級線圈位于所述磁電阻單元的正上方或者正下方。
優(yōu)選的,所述次級線圈具有兩個端子,每個端子具有一個或多個并聯(lián)連接的焊盤。
優(yōu)選的,所述次級線圈是導(dǎo)電線圈。
優(yōu)選的,所述磁電阻位于所述初級線圈和所述次級線圈之間。
優(yōu)選的,所述初級線圈和所述的次級線圈分別在同一個磁電阻單元處產(chǎn)生的磁場分量方向相反。
針對上述電流傳感器,其工藝為在晶圓上采用真空鍍膜的方法,沉積磁電阻薄膜,再將磁電阻薄膜刻蝕成磁電阻單元,并將多個磁電阻單元串并聯(lián)連接,構(gòu)成半橋、全橋的橋式磁電阻。在橋式磁電阻上方加工電流導(dǎo)線,即構(gòu)成了具有集成電流線圈的磁電阻電流傳感器。
有益效果:
由磁電阻傳感器構(gòu)成的電流傳感器,溫度穩(wěn)定性好,精度高。不同橋臂的磁電阻單元串交替排列,提高了橋式磁電阻的匹配度,提高電流傳感器的線性度。被測電流導(dǎo)線與磁電阻集成在一起,輸出特性一致性好,應(yīng)用簡單。
附圖說明
圖1為磁電阻單元立體圖;
圖2為全橋結(jié)構(gòu)磁電阻傳感器電路結(jié)構(gòu)圖;
圖3為全橋結(jié)構(gòu)磁電阻傳感器輸出隨外加磁場的變化關(guān)系圖;
圖4為多根平行通電線圈周圍的磁場分布圖;
圖5為一種全橋結(jié)構(gòu)開環(huán)電流傳感器的磁電阻分布圖;
圖6為第二種全橋結(jié)構(gòu)開環(huán)電流傳感器的磁電阻分布圖;
圖7為第三種全橋結(jié)構(gòu)開環(huán)電流傳感器的磁電阻分布圖;
圖8是橋式結(jié)構(gòu)電流傳感器的兩個橋臂示意圖;
圖9是兩個切片構(gòu)成的推挽全橋結(jié)構(gòu)開環(huán)電流傳感器示意圖;
圖10是閉環(huán)電流傳感器電路原理圖;
圖11是閉環(huán)電流傳感器側(cè)視圖;
圖12是兩個切片以及初級線圈構(gòu)成的推挽全橋結(jié)構(gòu)閉環(huán)電流傳感器示意圖;
圖13是兩個切片以及初級線圈構(gòu)成的梯度全橋結(jié)構(gòu)閉環(huán)電流傳感器示意圖;
圖14是初次級線圈電流方向不平行的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標記:
101-磁電阻單元;102-種子層;103-釘扎層;104-被釘扎層;105-被釘扎層磁化方向;106-隔離層;107-自由層;108-自由層磁化方向;109-交換偏置層;
201、202、203、204-磁電阻橋臂;
301-推挽全橋傳感器的輸出曲線;
401、402、403、404-導(dǎo)線;405、406、407、408-磁電阻橋臂;
502-導(dǎo)線;501-導(dǎo)線502的電流方向;505、506、507、508-磁電阻橋臂;503、504-磁電阻橋臂處的磁場方向;
602-導(dǎo)線;601-導(dǎo)線602的電流方向;606、607、608、609-磁電阻橋臂;603-磁電阻橋臂606-609處的磁場方向;604、605-磁電阻橋臂的靈敏方向;
702-導(dǎo)線;701-導(dǎo)線702的電流方向;705、706、707、708-磁電阻橋臂;703、704-磁電阻橋臂處的磁場方向;
801、802-磁電阻橋臂;803-導(dǎo)線;806-磁電阻單元:807-磁電阻單元806的磁場方向;821、822、823、824-導(dǎo)線端子1;825、826、827、828-導(dǎo)線端子2;810、811、812、813、814、815、816、817-磁電阻橋臂的端子;
901、902-切片;903、907-鍵合引線;904-磁場方向;905、906-切片901、902上的磁電阻靈敏方向;
1001-初級線圈電流;1002-初級線圈電流的方向;1003-初級線圈的磁場方向;1004-磁電阻傳感器;1005-輸出端;1006-放大器;1007-驅(qū)動電路;1008-次級線圈;1010-次級線圈的磁場方向;1011-采樣電阻;
1105-磁電阻;1103-初級線圈;1101-次級線圈;1104-初級線圈的電流方向;
1201-初級線圈;1202-初級線圈的電流方向;1203-次級線圈的電流方向;1204、1206-切片;1205、1207-切片1204、1206上的磁電阻橋臂的靈敏方向;
1301-初級線圈;1302、1303-切片;1305、1307-次級線圈的電流方向;1306、1308-初級線圈上、下半部分的電流方向;1304-磁電阻橋臂的靈敏方向;1309-鍵合引線;1310-初級線圈兩個邊的中心距;
1401-磁電阻單元;1402-磁電阻單元靈敏方向;1403-初級線圈的磁場方向;1405-次級線圈的磁場方向;1404、1406-磁場分量。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖,對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例。
磁電阻單元101如圖1所示,102是種子層,103是釘扎層,材料選擇反鐵磁性材料,高溫退火后,其磁疇呈180°規(guī)則排布,宏觀磁場為0。104是被釘扎層,在與釘扎層103的交換耦合作用下,其磁化方向105被固定。106是隔離層,由非磁性的導(dǎo)體或者非磁性的絕緣體構(gòu)成,典型的材料有銅,氧化鋁,氧化鎂。109是交換偏置層,由反鐵磁性材料構(gòu)成,高溫退火后,其磁疇呈180°規(guī)則排布,宏觀磁場為0。107為自由層,由高磁導(dǎo)率的鐵磁材料構(gòu)成,由于與交換偏置層109的交換耦合作用,在沒有外加磁場時,其磁化方向108被固定。且由于交換偏置層和釘扎層的退火方向互相垂直,被釘扎層的磁化方向與自由層的磁化方向互相垂直(在沒有外加磁場的時候),此時磁電阻單元的電阻為R0。當外加磁場在被釘扎層方向105上有分量時,磁電阻單元的電阻會發(fā)生變化,其范圍為R0+r1到R0-r2,r1和r2分別表示不同的阻值大小。在此定義磁電阻單元的靈敏方向與被釘扎層的磁化方向105一致。
圖2畫出了四個磁電阻橋臂構(gòu)成的推挽全橋結(jié)構(gòu)傳感器,每個磁電阻橋臂由多個磁電阻單元串串聯(lián)構(gòu)成,每個磁電阻單元串由磁電阻單元101串聯(lián)構(gòu)成,圖中四個磁電阻橋臂R1~R4(201~204)的被釘扎層方向一致,均為圖中的磁電阻靈敏方向,圖中示出了磁電阻橋臂的靈敏方向向右。磁電阻橋臂201和203位置處的磁場方向向右,磁電阻橋臂202和204位置處的磁場方向向左,四個磁電阻橋臂的關(guān)系為:
傳感器的輸出為:
由磁傳感器特性可知,上式是關(guān)于H的線性函數(shù),可以寫成下面的式子:
V0=VCC×S×H 式(3)
其中,R0是沒有外加磁場時磁電阻單元的電阻值,S為磁電阻單元的靈敏度,H為外加磁場,V+、V-是傳感器的輸出端口電壓,VCC是供電電壓。
推挽全橋傳感器的輸出曲線如圖3所示,301即為推挽全橋傳感器的輸出曲線,其橫坐標是外加磁場,縱坐標是輸出電壓值。在點A和點B位置處,傳感器的輸出趨于穩(wěn)定,對應(yīng)的磁場即為飽和磁場,圖中示出了磁電阻橋臂的靈敏方向向右。
當多根電流導(dǎo)線位于傳感器上方或下方時,傳感器位置處的磁場是可以被測量出來的,如圖4所示。圖中導(dǎo)線401和403的電流方向朝向紙外,則在磁電阻橋臂405和407所在位置,電流產(chǎn)生的磁場方向向右;導(dǎo)線402和404的電流方向朝向紙內(nèi),則在磁電阻橋臂406和408所在位置,電流產(chǎn)生的磁場方向向左。由于四個磁電阻橋臂的靈敏方向均為向右,則磁電阻橋臂405和407可以分別作為圖2中的R1和R3,磁電阻橋臂406和408可以分別作為圖2中的R2和R4,并構(gòu)成推挽全橋結(jié)構(gòu)。
若將每一對磁電阻橋臂和電流導(dǎo)線的相對位置都固定,則磁電阻橋臂處的磁場H與電流I的關(guān)系是唯一的,記為:
H=g(I) 式(4)
代入式(3),可得到傳感器輸出與電流的表達式為:
Vo=Vcc×S×g(I) 式(5)
圖5是圖4的磁電阻和電流導(dǎo)線分布圖,圖中502為電流導(dǎo)線,505~508是磁電阻橋臂,設(shè)電流導(dǎo)線502位于磁電阻的上方。電流方向為圖中501,在磁電阻橋臂505和507位置處,磁場方向為503;在磁電阻橋臂506和508位置處,磁場方向為504,與503相反。磁電阻橋臂505和507可以分別作為圖2中的R1和R3,磁電阻橋臂506和508可以分別作為圖2中的R2和R4,并構(gòu)成推挽全橋結(jié)構(gòu),圖中示出了磁電阻橋臂的靈敏方向向右。
圖6是推挽全橋傳感器的第二種磁電阻分布圖,四個磁電阻橋臂處的磁場方向相同,為603。電流導(dǎo)線602的電流方向為601,磁電阻橋臂606和607的靈敏方向為604,與磁電阻橋臂608和609的靈敏方向605相反。磁電阻橋臂606和607可以分別作為圖2中的R1和R3,磁電阻橋臂608和609可以分別作為圖2中的R2和R4,并構(gòu)成推挽全橋結(jié)構(gòu)。
圖7是推挽全橋傳感器的第三種磁電阻分布圖,四個磁電阻橋臂的靈敏方向相同,圖中示出了磁電阻橋臂的靈敏方向向右。電流導(dǎo)線702的電流方向為701,磁電阻橋臂705和706位置處的磁場方向為703,磁電阻橋臂707和708位置處的磁場方向為704,與703相反。磁電阻橋臂705和706可以分別作為圖2中的R1和R3,磁電阻橋臂707和708可以分別作為圖2中的R2和R4,并構(gòu)成推挽全橋結(jié)構(gòu)。
根據(jù)圖6的磁電阻分布圖,可以畫出如圖8的版圖,在一個晶圓上,可以加工若干個如圖8的單元。圖中具有兩個磁電阻橋臂801和802,這兩個磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列,這樣做的目的是減小不同磁電阻的失配度,進而減小傳感器的零漂和非線性度。磁電阻橋臂801有兩個端子,一個端子的焊盤為810和811,另一個端子的焊盤為812和813;磁電阻橋臂802也有兩個端子,一個端子的焊盤為814和815,另一個端子的焊盤為816和817。圖中較寬的線條803即為電流導(dǎo)線,電流導(dǎo)線具有兩個端子,每個端子具有四個短路連接的焊盤,焊盤821,822,823,824為一個端子的焊盤,焊盤825,826,827,828為另一個端子的焊盤。設(shè)電流導(dǎo)線803內(nèi)的電流方向為從焊盤825流向焊盤824,并且磁傳感器位于電流導(dǎo)線的下方,則在磁電阻單元806位置處,磁場方向為807。由于所有的磁電阻單元處的磁場方向都相同,則由這些磁電阻單元構(gòu)成的兩個磁電阻的靈敏方向相同,這兩個磁電阻橋臂對電流導(dǎo)線中的電流具有相同的響應(yīng),可以寫為:
R=f(g(I)) 式(6)
其中,R0是沒有外加磁場時磁電阻單元的電阻值,S為磁電阻單元的靈敏度,I為電流,f(g(I))是關(guān)于g(I)的函數(shù)。
圖9是由兩個圖8中的切片901和902構(gòu)成的橋式傳感器。通過鍵合引線903,將兩個切片中的電流導(dǎo)線進行連接,并且使兩個切片中的電流導(dǎo)線中電流方向保持一致,即901中,電流方向為從導(dǎo)線端子2到導(dǎo)線端子1,在902中電流方向為從導(dǎo)線端子1到導(dǎo)線端子2。在所有的磁電阻單元位置處由導(dǎo)線電流引起的磁場方向均為方向904。切片901相對切片902旋轉(zhuǎn)了180°,因此兩個切片上的磁電阻靈敏方向相反,設(shè)切片901上的磁電阻靈敏方向為905,而切片902上的磁電阻靈敏方向為906,則通過鍵合引線907,即可實現(xiàn)圖2中的推挽全橋結(jié)構(gòu)。下面分析其輸出表達式,
R1=R3=f(g(I))
R2=R4=f(g(-I))=f(-g(I)) 式(7)
通過上式,即可得出電流導(dǎo)線中的電流。這種電流傳感器稱為開環(huán)型電流傳感器,此處的電流導(dǎo)線即為集成在襯底上的次級線圈。
另外一種電流傳感器為閉環(huán)型電流傳感器,其電路原理圖如圖10所示。圖中1001為待測電流,即初級線圈中的電流,其電流方向為1002,記初級電流為Ib,此電流即為待測電流。初級線圈位于磁電阻的附近,在磁電阻傳感器位置處的磁場Hb,其方向為1003,此時磁電阻傳感器1004的輸出端1005就會產(chǎn)生輸出信號Vo,放大器1006將輸出信號Vo放大后,輸入到驅(qū)動電路1007中,驅(qū)動電路的輸出端有一次級線圈1008,次級線圈上的電流記為Ia。次級線圈1008產(chǎn)生一磁場Ha,其方向為1010,于是在磁電阻傳感器上的磁場為1003和1010的疊加。在次級線圈另一端,還串聯(lián)連接了一個采樣電阻1011,通過測量采樣電阻1011上的電壓,即可實現(xiàn)對初級線圈1001中電流的測量。
下面是閉環(huán)電流傳感器的相關(guān)計算:
利用函數(shù)表達式,次級線圈和初級線圈在磁電阻傳感器位置處的磁場分別為:
Ha=g1(Ia) 式(9)
Hb=g2(Ib) 式(10)
則磁電阻位置處的磁場矢量和為:
H=Ha-Hb
=g1(Ia)-g2(Ib) 式(11)
則傳感器的輸出電壓為:
Vo=Vcc×f[g1(Ia)-g2(Ib)] 式(12)
設(shè)放大器1006和驅(qū)動電路1007的電壓到電流增益為A,則有:
Ia=A×Vo 式(13)
設(shè)采樣電阻1011電阻值為Rr,采樣電阻電壓為Vr,將式(13)代入到式(12),可得:
通過上式,即可得出電流導(dǎo)線中的電流。上式中,自變量為Vr,因變量為待測電流Ib。
圖11是閉環(huán)電流傳感器側(cè)視圖,圖中描繪了初級線圈,次級線圈和磁電阻的位置關(guān)系,磁電阻1105位于初級線圈1103和次級線圈1101之間。初級線圈1103上的電流即為待測電流Ib,其電流方向為1104,次級線圈1101上的電流為反饋電流Ia,兩個電流方向相同。因此在磁電阻1105處,初級線圈產(chǎn)生的磁場與次級線圈產(chǎn)生的磁場方向相反。
圖12是由推挽全橋磁電阻傳感器構(gòu)成的閉環(huán)電流傳感器的俯視圖,初級線圈、次級線圈以及磁電阻的位置關(guān)系如圖11所示,全橋結(jié)構(gòu)與圖9中一樣,不再贅述。初級線圈1201的電流方向為1202,次級線圈的電流方向為1203,這兩個電流在同一磁電阻單元上產(chǎn)生的磁場方向相反(或者這兩個電流在同一磁電阻單元上產(chǎn)生的磁場在磁電阻單元的靈敏方向上相反)。切片1204上有磁電阻橋臂R1和R3,其靈敏方向為圖中的1205,切片1206上有磁電阻橋臂R3和R4,其靈敏方向為圖中的1207,1205與1207方向相反。由上述四個磁電阻橋臂,即可構(gòu)成推挽全橋的電路結(jié)構(gòu),并構(gòu)成閉環(huán)型電流傳感器。
圖13是由梯度全橋磁電阻傳感器構(gòu)成的閉環(huán)型電流傳感器俯視圖,初級線圈、次級線圈以及磁電阻的位置關(guān)系如圖11所示。與推挽全橋不同的是,兩個切片1302和1303是平行放置的,沒有旋轉(zhuǎn)180°,且兩個切片中的次級線圈上的電流方向是相反的。初級線圈1301是一個U形的線圈,上半部分的電流方向為1306,下半部分的電流方向為1308,分別與次級線圈的電流方向1305和1307相同。兩個切片上的次級線圈通過鍵合引線1309互連,同時鍵合引線1309還把四個磁電阻橋臂連接成全橋結(jié)構(gòu)。由于四個磁電阻橋臂R1,R2,R3,R4平行放置,它們的靈敏方向相同,為1304。四個磁電阻橋臂隨初、次級線圈上電流產(chǎn)生的磁場的變化關(guān)系與式(7)相同,四個磁電阻橋臂也能構(gòu)成全橋輸出。若初級線圈1301的兩個邊的中心距1310發(fā)生變化,可以通過改變切片1302和1303的中心距來調(diào)整,比圖12中的推挽全橋更具有靈活性。
圖14是一種不規(guī)則的初次級線圈結(jié)構(gòu),圖中1401代表磁電阻單元,其靈敏方向為1402。初級線圈中電流產(chǎn)生的磁場方向為1403,在磁電阻單元1401的靈敏方向1402上具有分量1404;次級線圈中電流產(chǎn)生的磁場方向為1405,在磁電阻單元1401的靈敏方向1402上具有分量1406。不管磁場1403和磁場1405之間的夾角θ多大,只要1404和1406的方向是反平行的,將四個磁電阻單元1401連接成全橋結(jié)構(gòu),即可構(gòu)成閉環(huán)電流傳感器。
基于本實用新型中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。盡管本實用新型就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述,但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解,只要不超出本實用新型的權(quán)利要求所限定的范圍,可以對本實用新型進行各種變化和修改。