CN202421321U - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电流传感器，包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在测量范围内仅随温度变化的高阻态，惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，通过稳定的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。本实用新型采用以上结构，能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，温度特性好的优点。

Description

一种电流传感器

技术领域

本实用新型涉及一种电流传感器，尤其是一种采用隧道结磁电阻为敏感元件的含温度补偿磁电阻的电流传感器。 

背景技术

常用的电流传感器通常采用霍尔元件为敏感元件，也有采用各向异性磁电阻（AMR）或巨磁电阻（GMR）为敏感元件的电流传感器，其共同点在于都是属于磁敏感元件，通过敏感被测通电导线产生的磁场来实现对其电流大小的测量。 

霍尔元件的灵敏度极低，以霍尔元件为敏感元件的电流传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大，线性度差的缺陷。AMR元件虽然其灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的电流传感器需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的电流传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度，但是其线性范围偏低。 

隧道结磁电阻（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（TMR, Tunnel Magnetoresistance），主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜材料的电阻发生明显变化，比之前所发现并实际应用的AMR元件具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔元件和GMR元件具有更好的温度稳定性。以MTJ元件为敏感元件的电流传感器比霍尔电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。 

MTJ电流传感器的温度特性虽然强于以霍尔元件、AMR元件和GMR元件为敏感元件的电流传感器，但是在实际使用中依然存在温度漂移现象。 

发明内容

本实用新型提供了一种一种电流传感器，以MTJ为敏感元件，且能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。 

为达到上述目的，本实用新型提供了一种电流传感器，包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及一个或多个MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，所述电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，所述MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，该永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在测量范围内仅随温度变化的高阻态，所述惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，并且通过该稳定的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。 

优选地，所述MTJ磁电阻和MTJ温度补偿磁电阻由一个或多个MTJ元件串联而成，多个MTJ元件具有相同的温度特性、R_H值以及R_L值。 

优选地，惠斯通电桥为惠斯通半桥。 

优选地，所述惠斯通电桥为惠斯通全桥。 

本实用新型采用以上结构，能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。 

附图说明

图1是隧道结磁电阻元件（MTJ）的示意图。 

图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件沿难轴方向的磁阻变化曲线示意图。 

图3是MTJ元件1串联而形成一个等效MTJ磁电阻的概念图。 

图4是不同温度下MTJ磁电阻的磁阻变化曲线图。 

图5是一种MTJ惠斯通推挽半桥的概念图。 

图6是MTJ推挽半桥的典型输出图。 

图7是MTJ推挽半桥在不同温度下的输出的模拟结果。 

图8是一种MTJ惠斯通推挽全桥的概念图。 

图9是MTJ推挽全桥的典型输出图。 

图10是MTJ推挽全桥在不同温度下的输出的模拟结果。 

图11是一种含温度补偿电阻的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。 

图12是另一种含温度补偿电阻的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。 

图13是一种含温度补偿电阻的MTJ推挽全桥电流传感器芯片的概念图。 

图14是不同磁场下增加温补电阻前后MTJ推挽桥式电流传感器温度系数的测试结果。 

具体实施方式

图1是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件1一般包括上层的铁磁层或人工反铁磁层（Synthetic Antiferromagnetic, SAF）5，以及下层的铁磁层或SAF层3，两个磁性层之间的隧道势垒层4。在这种结构中，上层的铁磁层和（SAF层）5组成了磁性自由层，其磁化方向随外部磁场的改变而变化。下层的铁磁层（SAF层）3是一个固定的磁性层，因为其磁化方向是钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的。钉扎层通常是在反铁磁性层2的上方或下方沉积铁磁层或SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层10的上方，同时MTJ结构的上方为电极层6。MTJ的种子层10和保护层6之间的测量电阻值11代表自由层5和钉扎层3的相对磁化方向。当上层的铁磁层（SAF层）5的磁化方向与下层的铁磁层3的磁化方向平行时，整个元件的电阻11在低阻态。当上层的铁磁层（SAF层）5的磁化方向与下层的铁磁层3的磁化方向反平行时，整个元件的电阻11在高阻态。通过已知的技术，MTJ元件1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化。 

图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件1的磁阻变化曲线示意图。输出曲线在低阻态12和高阻态13的阻值时饱和。当钉扎层磁化方向8和自由层磁化方向7平行时，MTJ元件1的阻值为低阻态12；当钉扎层磁化方向8和自由层磁化方向7反平行时，MTJ元件1的阻值为高阻态13。在达到饱和之前，输出曲线是线性依赖于外加磁场H。输出曲线通常不与H=0的点对称，H_o是饱和场21、22之间的典型偏移，低阻态12对应的饱和区域更接近H=0的点， H_o的值通常被称为“桔子皮效应（Orange Peel）”或“奈尔耦合（Neel Coupling）”，其典型值通常在1到25 Oe之间，与MTJ元件1中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。在不饱和区域，输出曲线方程可以近似为： 

                               (1)

图3是MTJ元件1串联而形成一个等效MTJ磁电阻的示意图。串联起来的MTJ磁电阻能降低噪声，提高传感器的稳定性。在MTJ磁电阻中，每个MTJ元件1的偏置电压随磁隧道结数量的增加而降低。电流的降低需要产生一个大的电压，从而降低了散粒噪声，随着磁隧道结的增多同时也增强了传感器的ESD稳定性。此外，随着MTJ元件1数量的增多MTJ磁电阻的噪声相应地降低，这是因为每一个独立的MTJ元件1的互不相关的随机行为被平均掉。

图4是不同温度下MTJ磁电阻的磁阻变化曲线图，可以清楚地看到随着温度的升高，MTJ磁电阻的阻值在低阻态的变化不明显，高阻态有明显的降低现象，总体而言，MTJ磁电阻的阻值随温度的上升而降低。 

图5是一种MTJ惠斯通推挽半桥的概念图。如图所示，两个MTJ磁电阻R1、R2的钉扎层磁化方向8反平行，自由层磁化方向7随外场变化，稳恒电压V_bias施加于焊盘V_bias端和GND端，焊盘V_OUT为输出端。当对推挽半桥传感器施加一外场时，沿敏感方向9的磁场分量，磁电阻R1的阻值增加的同时R2的阻值会随之降低，施加相反方向的外场会使R1的阻值降低的同时R2的阻值会随之增加，推挽半桥的典型输出曲线如图6所示。 

图7是MTJ推挽半桥在不同温度下的输出的模拟结果。如图所示，半桥电路随着温度的升高其输出电压会相应地降低。 

图8是一种MTJ惠斯通推挽全桥的概念图。如图所示，四个MTJ磁电阻R11、R12、R21、R22以全桥形式连接，稳恒电压V_bias施加于焊盘V_bias端和GND端，焊盘V+和V-为输出端，四个磁电阻的自由层磁化方向7随外场变化，相对位置的磁电阻R11和R22（R12和R21）的钉扎层磁化方向8相同，相邻位置的磁电阻R11和R12（R11和R21等）的钉扎层磁化方向8反平行，桥式电路的敏感方向9与钉扎层磁化方向8平行或反平行。 

当对推挽全桥传感器施加一外场时，沿敏感方向9的磁场分量使相对位置的磁电阻R11和R22阻值增加的同时另外两个处于相对位置的磁电阻R12和R21的阻值会相应地减小，改变外场的方向会使R11和R22阻值减小的同时R12和R21的阻值会相应地增加，使用两对磁电阻的组合测量外场有相反的响应—— 一对阻值增加另一对阻值降低——可以增加桥式电路的灵敏输出，因此被称为“推挽式”桥式电路。其输出端的电压为： 

                                (2)

                                    (3)

桥式电路的输出被定义为：

  

                                   (4)

在推挽全桥电路中，MTJ磁电阻的磁阻变化函数为：

   

                 (5)

                     (6)

则：

     

                                    (7)

即实现推挽全桥的输出，其输出曲线的模拟结果如图9所示。

图10是MTJ推挽全桥在不同温度下的输出的模拟结果。如图所示，全桥电路随着温度的升高其输出电压会相应地降低。 

我们不难看出，MTJ惠斯通桥式电路的温度漂移的原因是因为MTJ元件阻值的变化导致其两端电压的变化。对于温度漂移现象，可以设置一个温度补偿电阻对温漂进行补偿。图11是一种含温度补偿电阻R_T（16）的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。如图所示，半桥电路14与温补电阻16串联起来，温补电阻16的周围设置有强磁场的永磁体17偏置其自由层磁化方向7，使其与钉扎层磁化方向8呈反平行处于高阻态13，对外场不敏感，其阻值11在测量范围内仅随温度变化，同时芯片内设置有导线20，待测电流19通过焊盘Iin+流入芯片，再经焊盘Iin-流出，磁电阻半桥电路14通过敏感被测电流19所产生的磁场21以测量待测电流。在理想情况下温补电阻16可以根据半桥桥臂电阻R1、R2的阻值及温度系数计算得出，当磁电阻随温度变化时，温补电阻和半桥电路的阻值同时降低或升高，施加于电桥两端的电压便不会发生大的变化，从而实现对温度漂移的补偿。 

图12是另一种含温度补偿电阻R_T（16）的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。如图所示，桥臂电阻R1和R2的钉扎层磁化方向8相同，自由层磁化方向7随外场变化，半桥电路14与温补电阻16串联起来，温补电阻16的周围设置有强磁场的永磁体17偏置其自由层磁化方向7，使其与钉扎层磁化方向8呈反平行处于高阻态13，对外场不敏感，其阻值11在测量范围内仅随温度变化，待测电流19经焊盘Iin+进入，Iin-流出，芯片内置的U型导线20位于桥臂电阻R1和R2的上方或下方，半桥电路14通过敏感电流19所产生的磁场21以测量待测电流。 

图13是含温度补偿电阻R_T（16）的MTJ推挽全桥电流传感器芯片的概念图。如图所示，四个MTJ磁电阻R11、R12、R21、R22组成惠斯通全桥与温补电阻R_T（16）串联，四个MTJ磁电阻的钉扎层磁化方向8相同自由层磁化方向7随外场变化，温补电阻16的周围设置有强磁场的永磁体17偏置其自由层磁化方向7，使其与钉扎层磁化方向8呈反平行处于高阻态13，对外场不敏感，其阻值11在测量范围内仅随温度变化，同时芯片内设置有U型导线20，待测电流19通过焊盘Iin+流入芯片，再经焊盘Iin-流出，磁电阻全桥电路14通过敏感电流19所产生的磁场21以测量待测电流。 

电桥电路的输出V_OUT(T)和实际输出值V_OUT随温度变化可以拟合成线性函数： 

                                          (8)

其中k_T是输出电压的温度系数，常用的霍尔电流传感器的温度系数k_T为几千PPM/℃。图14是不同磁场下增加温补电阻前后MTJ推挽桥式电流传感器温度系数的测试结果，我们可以清楚的看到，在设置温补电阻后，其温度系数极大地减小，温补效果很明显。

以上对本实用新型的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本实用新型的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺进行很多修改。在本实用新型的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本实用新型的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。 

Claims (4)

1.一种电流传感器，其特征在于：包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及一个或多个MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，所述电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，所述MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，该永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在该电流传感器的测量范围内仅随温度变化的高阻态，所述惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，该电流传感器通过惠斯通电桥的两端的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述MTJ磁电阻和MTJ温度补偿磁电阻由一个或多个MTJ元件串联而成，多个MTJ元件具有相同的温度特性、R_H值以及R_L值。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥为惠斯通半桥。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥为惠斯通全桥。

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