TWI703338B - 電流感測器 - Google Patents

Abstract

一種電流感測器，包括一基板、一導線、一第一異向性磁電阻單元、一第二異向性磁電阻單元、一第三異向性磁電阻單元、一第四異向性磁電阻單元、一第一磁化方向設定元件及一第二磁化方向設定元件。導線具有一第一導電段與一第二導電段，分別配置於基板之相對的一第一端與一第二端下方。第一異向性磁電阻單元與第二異向性磁電阻單元配置於基板的第一端上方。第三異向性磁電阻單元與第四異向性磁電阻單元配置於基板的第二端上方。第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件用以設定異向性磁電阻單元的磁化方向。

Description

電流感測器

本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種電流感測器。

電流感測是工業自動化中不可或缺的元素之一。近年來，電流感測的需求從工業用途擴展至智能居家與智慧城市領域的消費者產品與應用。高準確度、快速反應、小體積、低功耗及可靠的品質成為新一代電流感測器所追求的目標。

目前有多種方法可以量測導體中的電流。舉例而言，可利用分路電阻器（shunt resistor）藉由量測橫跨其之電壓差來推算出電流。然而，此電阻相量小，因此電流消耗高，而不適用於小型或可攜式裝置。此外，高電流會產生熱，而造成其他問題。

本發明提供一種電流感測器，具有高敏感度、高準確度及低功耗。

本發明的一實施例提出一種電流感測器，包括一基板、一導線、一第一異向性磁電阻（anisotropic magnetoresistor, AMR）單元、一第二異向性磁電阻單元、一第三異向性磁電阻單元、一第四異向性磁電阻單元、一第一磁化方向設定元件及一第二磁化方向設定元件。導線具有一第一導電段與一第二導電段，其中第一導電段與第二導電段排列於一第一方向上，各自沿著一第二方向延伸，且分別配置於基板之相對的一第一端與一第二端下方。第一異向性磁電阻單元與第二異向性磁電阻單元配置於基板的第一端上方，且沿著第一方向排列。第三異向性磁電阻單元與第四異向性磁電阻單元配置於基板的第二端上方，且沿著第一方向的反方向排列。第一磁化方向設定元件用以設定第一異向性磁電阻單元與第二異向性磁電阻單元的磁化方向。第二磁化方向設定元件用以設定第三異向性磁電阻單元與第四異向性磁電阻單元的磁化方向。當一電流流經導線時，因感應於電流所產生的磁場，第一異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化相反於第二異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化，且第三異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化相反於第四異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化，且第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元電性連接成一惠斯登電橋，以輸出對應於第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化的電壓訊號。

在本發明的一實施例中，電流感測器更包括一運算器，電性連接至惠斯登電橋的一輸出端，其中第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件將第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元的磁化方向組合設定為一第一組合，以使惠斯登電橋之後輸出一第一電壓訊號，且第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件再將第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元的磁化方向組合設定為相反於第一組合的一第二組合，以使惠斯登電橋之後輸出一第二電壓訊號。運算器用以將第一電壓訊號與第二電壓訊號相減，以輸出一對應於電流所產生的磁場的大小的輸出電壓訊號。

在本發明的一實施例中，運算器用以將第一電壓訊號與第二電壓訊號相加，以輸出一偏移電壓訊號。

在本發明的一實施例中，當電流流經導線時，電流在第一導電段中的流向相反於在第二導電段中的流向。

在本發明的一實施例中，第一方向垂直於第二方向。

在本發明的一實施例中，電流流經第一導電段時在第一異向性磁電阻單元與第二異向性磁電阻單元處所產生的磁場在第一方向上的分量的方向相反於電流流經第二導電段時在第三異向性磁電阻單元與第四異向性磁電阻單元處所產生的磁場在第一方向上的分量的方向。

在本發明的一實施例中，惠斯登電橋對應於在第一方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，對應於在第二方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，且對應於在一第三方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，其中第三方向垂直於第一方向與第二方向。

在本發明的一實施例中，第一異向性磁電阻單元包括沿著第二方向的反方向依序排列的一第一異向性磁電阻與一第二異向性磁電阻，第二異向性磁電阻單元包括沿著第二方向的反方向依序排列的一第三異向性磁電阻與一第四異向性磁電阻，第三異向性磁電阻單元包括沿著第二方向的反方向依序排列的一第五異向性磁電阻與一第六異向性磁電阻，且第四異向性磁電阻單元包括沿著第二方向的反方向依序排列的一第七異向性磁電阻與一第八異向性磁電阻。

在本發明的一實施例中，在一第一時間，第一磁化方向設定元件將第一異向性磁電阻與第三異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向的反方向，且將第二異向性磁電阻與第四異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向。在第一時間，第二磁化方向設定元件將第五異向性磁電阻與第七異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向的反方向，且將第六異向性磁電阻與第八異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向。在一第二時間，第一磁化方向設定元件將第一異向性磁電阻與第三異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向，且將第二異向性磁電阻與第四異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向的反方向。在第二時間，第二磁化方向設定元件將第五異向性磁電阻與第七異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向，且將第六異向性磁電阻與第八異向性磁電阻的磁化方向設定為第二方向的反方向。

在本發明的一實施例中，第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件為導電片、導電線圈、導線或導體。

在本發明的實施例的電流感測器中，由於採用了異向性磁電阻單元連接成惠斯登電橋來感測導線中的電流所產生的磁場，因此對電流的感測具有高敏感度與高準確度。此外，由於本發明的實施例的電流感測器是利用感測電流所產生的磁場的方式來反推電流的大小，而異向性磁電阻單元不會直接接觸到電流，因此可以具有較低的功耗。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明的一實施例的一種電流感測器的上視示意圖，而圖2是圖1的電流感測器沿著A-A線的剖面示意圖。請參照圖1與圖2，本實施例的電流感測器100包括一基板210、一導線110、一第一異向性磁電阻單元222、一第二異向性磁電阻單元224、一第三異向性磁電阻單元226、一第四異向性磁電阻單元228、一第一磁化方向設定元件M1及一第二磁化方向設定元件M2。導線110具有一第一導電段C1與一第二導電段C2，其中第一導電段C1與第二導電段C2排列於一第一方向D1上，各自沿著一第二方向D2延伸，且分別配置於基板210之相對的一第一端212與一第二端214下方。電流感測器100所存在的空間可以由彼此不同的第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3所建構，在本實施例中，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3可以彼此互相垂直。然而，在其他實施例中，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3也可以是彼此不垂直且不相同。

第一異向性磁電阻單元222與第二異向性磁電阻單元224配置於基板210的第一端212上方，且沿著第一方向D1排列。第三異向性磁電阻單元226與第四異向性磁電阻單元228配置於基板210的第二端214上方，且沿著第一方向D1的反方向排列。上述基板210的第一端212下方至基板210的第一端212上方的方向即為第三方向D3。

第一磁化方向設定元件M1用以設定第一異向性磁電阻單元222與第二異向性磁電阻單元224的磁化方向。第二磁化方向設定元件M2用以設定第三異向性磁電阻單元226與第四異向性磁電阻單元228的磁化方向。

當一電流I流經導線110時，因感應於電流I所產生的磁場，第一異向性磁電阻單元222所產生的電阻值變化相反於第二異向性磁電阻單元224所產生的電阻值變化，且第三異向性磁電阻單元226所產生的電阻值變化相反於第四異向性磁電阻單元228所產生的電阻值變化，且第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元222、224、226及228電性連接成一惠斯登電橋，以輸出對應於第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元222、224、226及228所產生的電阻值變化的電壓訊號。

在本實施例中，第一異向性磁電阻單元222包括沿著第二方向D2的反方向依序排列的一第一異向性磁電阻（anisotropic magnetoresistor, AMR）R1與一第二異向性磁電阻R2，第二異向性磁電阻單元224包括沿著第二方向D2的反方向依序排列的一第三異向性磁電阻R3與一第四異向性磁電阻R4，第三異向性磁電阻單元226包括沿著第二方向D2的反方向依序排列的一第五異向性磁電阻R5與一第六異向性磁電阻R6，且第四異向性磁電阻單元228包括沿著第二方向D2的反方向依序排列的一第七異向性磁電阻R7與一第八異向性磁電阻R8。上述的第一至第八異向性磁電阻R1～R8的數量都是各自以一個為例，然而，在其他實施例中，每一個異向性磁電阻亦可以用串聯的多個異向性磁電阻來取代。舉例而言，第一異向性磁電阻R1可以用多個串聯的第一異向性磁電阻R1來取代。

在本實施例中，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2及第一至第四異向性磁電阻單元222、224、226及228可設置於基板210上，而磁化方向設定元件與異向性磁電阻單元之間可藉由絕緣層來隔開。在本實施例中，第一磁化方向設定元件M1配置於第一及第二異向性磁電阻單元222、224與第一導電段C1之間，且第二磁化方向設定元件M2配置於第三及第四異向性磁電阻單元226、228與第二導電段C2之間。然而，在其他實施例中，亦可以是第一及第二異向性磁電阻單元222、224配置於第一磁化方向設定元件M1與第一導電段C1之間，且第三及第四異向性磁電阻單元226、228配置於第二磁化方向設定元件M2與第二導電段C2之間。或者，在其他實施例中，第一磁化方向設定元件M1亦可以是在第一及第二異向性磁電阻單元222、224的上下兩方都有分佈，且第二磁化方向設定元件M2亦可以是在第三及第四異向性磁電阻單元226、228的上下兩方都有分佈。

另外，導線110可被一封裝體120包覆，而導線110的兩端則暴露於封裝體120外，其中封裝體120例如是絕緣材質。基板210可配置於封裝體120上。

圖3A與圖3B是用以說明圖1中的異向性磁電阻的運作原理。請先參照圖3A，異向性磁電阻300具有理髮店招牌（barber pole）狀結構，亦即其表面設有相對於異向性磁電阻300的延伸方向D傾斜45度延伸的多個短路棒（electrical shorting bar）310，這些短路棒310彼此相間隔且平行地設置於鐵磁膜（ferromagnetic film）320上，而鐵磁膜320為異向性磁電阻300的主體，其延伸方向即為異向性磁電阻300的延伸方向D。此外，鐵磁膜320的相對兩端可製作成尖端狀。

異向性磁電阻300在開始量測外在磁場H之前，可先藉由磁化方向設定元件（例如圖1的第一磁化方向設定元件M1或第二磁化方向設定元件M2）來設定其磁化方向，其中磁化方向設定元件例如是可以藉由通電產生磁場的線圈、導線、金屬片或導體。在圖3A中，磁化方向設定元件可藉由通電產生沿著延伸方向D的磁場，以使異向性磁電阻300具有磁化方向M。

接著，磁化方向設定元件不通電，以使異向性磁電阻300開始量測外在磁場H。當沒有外在磁場H時，異向性磁電阻300的磁化方向M維持在延伸方向D上，此時施加一電流i，使電流i從異向性磁電阻300的左端流往右端，則短路棒310附近的電流i的流向會與短路棒310的延伸方向垂直，而使得短路棒310附近的電流i流向與磁化方向M夾45度，此時異向性磁電阻300的電阻值為R。

當有一外在磁場H朝向垂直於延伸方向D的方向時，異向性磁電阻300的磁化方向M會往外在磁場H的方向偏轉，而使得磁化方向與短路棒附近的電流i流向的夾角大於45度，此時異向性磁電阻300的電阻值有-ΔR的變化，即成為R-ΔR，也就是電阻值變小，其中ΔR大於0。

然而，若如圖3B所示，當圖3B的短路棒310的延伸方向設於與圖3A的短路棒310的延伸方向夾90度的方向時（此時圖3B的短路棒310的延伸方向仍與異向性磁電阻300的延伸方向D夾45度），且當有一外在磁場H時，此外在磁場H仍會使磁化方向M往外在磁場H的方向偏轉，此時磁化方向M與短路棒310附近的電流i流向的夾角會小於45度，如此異向性磁電阻300的電阻值會變成R+ΔR，亦即異向性磁電阻300的電阻值變大。

此外，藉由磁化方向設定元件將異向性磁電阻300的磁化方向M設定為圖3A所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3A的異向性磁電阻300的電阻值會變成R+ΔR。再者，藉由磁化方向設定元件將異向性磁電阻300的磁化方向M設定為圖3B所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3B的異向性磁電阻300的電阻值會變成R-ΔR。

綜合上述可知，當短路棒310的設置方向改變時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之，且當磁化方向設定元件所設定的磁化方向M改變成反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之。當外在磁場H的方向變為反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之。然而，當通過異向性磁電阻300的電流i變成反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化則維持與原來相同正負號，即原本若為+ΔR，改變電流方向後仍為+ΔR，若原本為-ΔR，改變電流方向後仍為-ΔR。

依照上述的原則，便可藉由設計短路棒310的延伸方向或磁化方向設定元件所設定的磁化方向M來決定當異向性磁電阻300受到外在磁場H的某一分量時，異向性磁電阻300的電阻值R的變化方向，即電阻值R變大或變小，例如變化量是+ΔR或-ΔR。

圖4A與圖4B分別繪示圖1之電流感測器於第一時間與第二時間之異向性磁電阻的磁化方向及其後的電阻值變化，並繪示了第一至第八異向性磁電阻R1～R8中的短路棒的延伸方向。請參照圖4A與圖4B，在本實施例中，第一至第八異向性磁電阻R1～R8的延伸方向皆為第二方向D2，而其短路棒310的延伸方向則如圖4A所繪示，其分別在兩個不同的方向上與第二方向D2夾45度，且這兩個不同的方向是平行於第一方向D1與第二方向D2所建構的平面。

當導線110被通以電流I（如圖1所繪示）時，在第一導電段C1中的電流I1與在第二導電段C2中的電流I2的方向例如分別為第二方向D2與第二方向D2的反方向。此時，電流I1在第一至第四異向性磁電阻R1～R4上產生沿著第一方向D1的磁場分量HC，且電流I2在第五至第八異向性磁電阻R5～R8上產生沿著第一方向D1的反方向的磁場分量HC。在本實施例中，電流I1的大小等於電流I2的大小。此外，在本實施例中，當電流I流經導線110時，電流I在第一導電段C1中的流向（即電流I1的流向）相反於在第二導電段C2中的流向（即電流I2的流向）。此外，在本實施例中，電流I1流經第一導電段C1時在第一異向性磁電阻單元222與第二異向性磁電阻單元224處所產生的磁場在第一方向D1上的分量（即圖4A與圖4B左方的磁場分量HC，其朝向第一方向D1）的方向相反於電流I2流經第二導電段C2時在第三異向性磁電阻單元226與第四異向性磁電阻單元228處所產生的磁場在第一方向D1上的分量（即圖4A與圖4B右方的磁場分量HC，其朝向第一方向D1的反方向）的方向。

在一第一時間，第一磁化方向設定元件M1將第一異向性磁電阻R1與第三異向性磁電阻R3的磁化方向M13設定為第二方向D2的反方向，且將第二異向性磁電阻R2與第四異向性磁電阻R4的磁化方向M24設定為第二方向D2。此外，在第一時間，第二磁化方向設定元件M2將第五異向性磁電阻R5與第七異向性磁電阻R7的磁化方向M57設定為第二方向D2的反方向，且將第六異向性磁電阻R6與第八異向性磁電阻R8的磁化方向M68設定為第二方向D2。在本實施例中，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2例如為可以藉由通電產生磁場的導電線圈、導線、導電片（例如金屬片）或導體，只要是能夠產生沿著磁化方向M13、M24、M57、M68的磁場之導電結構皆可作為第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2。

在第一時間之後，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2會停止產生磁場，例如第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2不再被通以電流而產生磁場，此時，第一至第四異向性磁電阻R1～R4便能夠感應於電流I1所產生的磁場分量HC而分別產生-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR的電阻值變化，且第五至第八異向性磁電阻R5～R8便能夠感應於電流I2所產生的磁場分量HC而分別產生+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR的電阻值變化。

在本實施例中，第一異向性磁電阻R1、第二異向性磁電阻R2、第六異向性磁電阻R6及第五異向性磁電阻R5可從接點P1依序串聯至接點P2，接點P3可電性連接至第二異向性磁電阻R2與第六異向性磁電阻R6之間的導電路徑，第三異向性磁電阻R3與第四異向性磁電阻R4可從接點P1依序串聯至接點P4，而第七異向性磁電阻R7與第八異向性磁電阻R8可從接點P2依序串聯至接點P5。接點P3可接收參考電壓VDD，而接點P4與接點P5可耦接至地（ground），此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會是(VDD)×(ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於磁場分量HC的大小，進而對應於流經導線110的電流I的大小，此後將此輸出訊號稱為第一電壓訊號V₁ 。在另一實施例中，亦可以是接點P3耦接至地，而接點P4與接點P5接收參考電壓VDD。

在此之後的一第二時間，第一磁化方向設定元件M1將第一異向性磁電阻R1與第三異向性磁電阻R3的磁化方向M13’設定為第二方向D2，且將第二異向性磁電阻R2與第四異向性磁電阻R4的磁化方向M24’設定為第二方向D2的反方向。此外，在第二時間，第二磁化方向設定元件M2將第五異向性磁電阻R5與第七異向性磁電阻R7的磁化方向M57’設定為第二方向D2，且將第六異向性磁電阻R6與第八異向性磁電阻R8的磁化方向M68’設定為第二方向D2的反方向。

在第二時間之後，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2會停止產生磁場，此時，第一至第四異向性磁電阻R1～R4便能夠感應於電流I1所產生的磁場分量HC而分別產生+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR的電阻值變化，且第五至第八異向性磁電阻R5～R8便能夠感應於電流I2所產生的磁場分量HC而分別產生-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR的電阻值變化。此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於磁場分量HC的大小，進而對應於流經導線110的電流I的大小，此後將此輸出訊號稱為第二電壓訊號V₂ 。

圖5為圖4A與圖4B的惠斯登電橋的輸出電壓-電流曲線圖，而圖6繪示圖4A與圖4B的惠斯登電橋耦接至一運算器。請參照圖4A、圖4B、圖5與圖6，在本實施例中，電流感測器100更包括一運算器400，電性連接至惠斯登電橋的一輸出端（即接收第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ ），其中第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2將第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元222、224、226及228的磁化方向組合設定為一第一組合（即如圖4A之磁化方向M13、磁化方向M24、磁化方向M57及磁化方向M68的組合），以使惠斯登電橋之後輸出第一電壓訊號V₁ ，且第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2再將第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元222、224、226及228的磁化方向組合設定為相反於第一組合的一第二組合（即如圖4B之磁化方向M13’、磁化方向M24’、磁化方向M57’及磁化方向M68’的組合），以使惠斯登電橋之後輸出第二電壓訊號V₂ 。運算器400用以將第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相減，以輸出一對應於電流I所產生的磁場的大小的輸出電壓訊號V_out 。此外，在本實施例中，運算器400亦可用以將第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相加，以輸出一偏移電壓訊號V_off 。

具體而言，運算器400可包括一算術運算器410與一算術運算器420，其中算術運算器410例如為一加法器，其用以將第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相加，以輸出偏移電壓訊號V_off 。此外，算術運算器420例如為一減法器，其用以將第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相減，以輸出對應於電流I所產生的磁場的大小的輸出電壓訊號V_out 。

由圖5可知，惠斯登電橋的輸出電壓-電流曲線可能存在一偏移電壓訊號V_off ，而第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相加之後則可剩下偏移電壓訊號V_off ，且第一電壓訊號V₁ 與第二電壓訊號V₂ 相減後，其輸出電壓-電流曲線會通過電壓與電流皆為零的點，而使得在某一段範圍內電壓與電流幾乎成正比，而使得電阻值變化ΔR可以準確地經由輸出電壓訊號V_out 來估算。

在本實施例中，接點P1～P5及運算器400例如是存在於基板210中，而基板210為一線路基板，例如是半導體基板。

圖7、圖8及圖9分別繪示圖1之電流感測器於第二時間之異向性磁電阻的磁化方向及其後受到三個不同方向的外在磁場分量時的電阻值變化。請先參照圖7，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2在第二時間完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的設定之後，當有一沿著第一方向D1的外在磁場分量HE1存在時，第一至第八異向性磁電阻R1～R8所產生的電阻值變化分別為+ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR，如此一來，當接點P3接收參考電壓VDD，而接點P4與接點P5耦接至地時，此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會為零。

請再參照圖8，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2在第二時間完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的設定之後，當有一沿著第二方向D2的外在磁場分量HE2存在時，第一至第八異向性磁電阻R1～R8所產生的電阻值變化皆為零，這是因為第二方向D2不是第一至第八異向性磁電阻R1～R8所能感測的方向。如此一來，當接點P3接收參考電壓VDD，而接點P4與接點P5耦接至地時，此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會為零。

請再參照圖9，第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2在第二時間完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的設定之後，當有一沿著第三方向D3的外在磁場分量HE3存在時，第一至第八異向性磁電阻R1～R8所產生的電阻值變化皆為零，這是因為第三方向D3不是第一至第八異向性磁電阻R1～R8所能感測的方向。如此一來，當接點P3接收參考電壓VDD，而接點P4與接點P5耦接至地時，此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會為零。

也就是說，在本實施例中，惠斯登電橋對應於在第一方向D1上的外在磁場分量HE1所輸出的電壓訊號為零，對應於在第二方向D2上的外在磁場分量HE2所輸出的電壓訊號為零，且對應於在第三方向D3上的外在磁場分量HE3所輸出的電壓訊號為零。因此，無論外在磁場是在哪個方向上，都不會影響本實施例的電流感測器100的感測結果，也就是不會對電流感測器100的輸出電壓產生干擾。

以上惠斯登電橋對於外在磁場分量HE1、HE2及HE3的反應是以第二時間之後的反應為例，至於在第一時間之後，即在第一磁化方向設定元件M1與第二磁化方向設定元件M2在第一時間完成如圖4A的磁化方向M13、M24、M57、M68的設定之後，第一至第八異向性磁電阻R1～R8反應於外在磁場分量HE1所產生的電阻值變化分別為-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR，如此一來，當接點P3接收參考電壓VDD，而接點P4與接點P5耦接至地時，此時形成的惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差會為零。而對於外在磁場分量HE2與HE3，第一至第八異向性磁電阻R1～R8不會受到它們的影響，因此不會產生電阻值變化，因此惠斯登電橋中接點P1與接點P2之間的電壓差仍會為零。所以，無論是在第一時間或第二時間之後，本實施例的電流感測器100皆不會受到任何方向的外在磁場的干擾。

此外，基板210中或基板210上也可設有一反饋線圈（feedback coil），其與第一至第八異向性磁電阻R1～R8至少部分重疊，以作為閉迴路控制（close-loop control）的用途。

綜上所述，在本發明的實施例的電流感測器中，由於採用了異向性磁電阻單元連接成惠斯登電橋來感測導線中的電流所產生的磁場，因此對電流的感測具有高敏感度與高準確度。此外，由於本發明的實施例的電流感測器是利用感測電流所產生的磁場的方式來反推電流的大小，而異向性磁電阻單元不會直接接觸到電流，因此可以具有較低的功耗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電流感測器 110‧‧‧導線 120‧‧‧封裝體 210‧‧‧基板 212‧‧‧第一端 214‧‧‧第二端 222‧‧‧第一異向性磁電阻單元 224‧‧‧第二異向性磁電阻單元 226‧‧‧第三異向性磁電阻單元 228‧‧‧第四異向性磁電阻單元 300‧‧‧異向性磁電阻 310‧‧‧短路棒 320‧‧‧鐵磁膜 400‧‧‧運算器 410、420‧‧‧算術運算器 C1‧‧‧第一導電段 C2‧‧‧第二導電段 D‧‧‧延伸方向 D1‧‧‧第一方向 D2‧‧‧第二方向 D3‧‧‧第三方向 H‧‧‧外在磁場 HC‧‧‧磁場分量 HE1、HE2、HE3‧‧‧外在磁場分量 I、i、I1、I2‧‧‧電流 M、M13、M13’、M24、M24’、M57、M57’、M68、M68’‧‧‧磁化方向 M1‧‧‧第一磁化方向設定元件 M2‧‧‧第二磁化方向設定元件 P1、P2、P3、P4、P5‧‧‧接點 R1‧‧‧第一異向性磁電阻 R2‧‧‧第二異向性磁電阻 R3‧‧‧第三異向性磁電阻 R4‧‧‧第四異向性磁電阻 R5‧‧‧第五異向性磁電阻 R6‧‧‧第六異向性磁電阻 R7‧‧‧第七異向性磁電阻 R8‧‧‧第八異向性磁電阻 ΔR‧‧‧電阻值變化 V₁‧‧‧第一電壓訊號 V₂‧‧‧第二電壓訊號 V_off‧‧‧偏移電壓訊號 V_out‧‧‧輸出電壓訊號

圖1是本發明的一實施例的一種電流感測器的上視示意圖。 圖2是圖1的電流感測器沿著A-A線的剖面示意圖。 圖3A與圖3B是用以說明圖1中的異向性磁電阻的運作原理。 圖4A與圖4B分別繪示圖1之電流感測器於第一時間與第二時間之異向性磁電阻的磁化方向及其後的電阻值變化。 圖5為圖4A與圖4B的惠斯登電橋的輸出電壓-電流曲線圖。 圖6繪示圖4A與圖4B的惠斯登電橋耦接至一運算器。 圖7、圖8及圖9分別繪示圖1之電流感測器於第二時間之異向性磁電阻的磁化方向及其後受到三個不同方向的外在磁場分量時的電阻值變化。

100‧‧‧電流感測器

110‧‧‧導線

120‧‧‧封裝體

210‧‧‧基板

212‧‧‧第一端

214‧‧‧第二端

222‧‧‧第一異向性磁電阻單元

224‧‧‧第二異向性磁電阻單元

226‧‧‧第三異向性磁電阻單元

228‧‧‧第四異向性磁電阻單元

C1‧‧‧第一導電段

C2‧‧‧第二導電段

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

I‧‧‧電流

M1‧‧‧第一磁化方向設定元件

M2‧‧‧第二磁化方向設定元件

R1‧‧‧第一異向性磁電阻

R2‧‧‧第二異向性磁電阻

R3‧‧‧第三異向性磁電阻

R4‧‧‧第四異向性磁電阻

R5‧‧‧第五異向性磁電阻

R6‧‧‧第六異向性磁電阻

R7‧‧‧第七異向性磁電阻

R8‧‧‧第八異向性磁電阻

Claims (9)

1. 一種電流感測器，包括：一基板；一導線，具有一第一導電段與一第二導電段，其中該第一導電段與該第二導電段排列於一第一方向上，各自沿著一第二方向延伸，且分別配置於該基板之相對的一第一端與一第二端下方；一第一異向性磁電阻單元與一第二異向性磁電阻單元，配置於該基板的該第一端上方，且沿著該第一方向排列；一第三異向性磁電阻單元與一第四異向性磁電阻單元，配置於該基板的該第二端上方，且沿著該第一方向的反方向排列；一第一磁化方向設定元件，用以設定該第一異向性磁電阻單元與該第二異向性磁電阻單元的磁化方向；以及一第二磁化方向設定元件，用以設定該第三異向性磁電阻單元與該第四異向性磁電阻單元的磁化方向，其中，當一電流流經該導線時，因感應於該電流所產生的磁場，該第一異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化相反於該第二異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化，且該第三異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化相反於該第四異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化，且該第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元電性連接成一惠斯登電橋，以輸出對應於該第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元所產生的電阻值變化的電壓訊號，其中該電流流經該第一導電段時在該第一異向性磁電阻單元 與該第二異向性磁電阻單元處所產生的磁場在該第一方向上的分量的方向相反於該電流流經該第二導電段時在該第三異向性磁電阻單元與該第四異向性磁電阻單元處所產生的磁場在該第一方向上的分量的方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，更包括一運算器，電性連接至該惠斯登電橋的一輸出端，其中該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件將該第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元的磁化方向組合設定為一第一組合，以使該惠斯登電橋之後輸出一第一電壓訊號，且該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件再將該第一、第二、第三及第四異向性磁電阻單元的磁化方向組合設定為相反於該第一組合的一第二組合，以使該惠斯登電橋之後輸出一第二電壓訊號，該運算器用以將該第一電壓訊號與該第二電壓訊號相減，以輸出一對應於該電流所產生的該磁場的大小的輸出電壓訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電流感測器，其中該運算器用以將該第一電壓訊號與該第二電壓訊號相加，以輸出一偏移電壓訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中當該電流流經該導線時，該電流在該第一導電段中的流向相反於在該第二導電段中的流向。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該第一方向垂直於該第二方向。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該惠斯登電橋對應於在該第一方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，對應於在該第二方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，且對應於在一第三方向上的外在磁場分量所輸出的電壓訊號為零，其中該第三方向垂直於該第一方向與該第二方向。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該第一異向性磁電阻單元包括沿著該第二方向的反方向依序排列的一第一異向性磁電阻與一第二異向性磁電阻，該第二異向性磁電阻單元包括沿著該第二方向的反方向依序排列的一第三異向性磁電阻與一第四異向性磁電阻，該第三異向性磁電阻單元包括沿著該第二方向的反方向依序排列的一第五異向性磁電阻與一第六異向性磁電阻，且該第四異向性磁電阻單元包括沿著該第二方向的反方向依序排列的一第七異向性磁電阻與一第八異向性磁電阻。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電流感測器，其中在一第一時間，該第一磁化方向設定元件將該第一異向性磁電阻與該第三異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向的反方向，且將該第二異向性磁電阻與該第四異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向；在該第一時間，該第二磁化方向設定元件將該第五異向性磁電阻與該第七異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向的反方向，且將該第六異向性磁電阻與該第八異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向；在一第二時間，該第一磁化方向設定元件將該第一異向性磁電阻與該第三異向性磁電阻的磁化方向設定 為該第二方向，且將該第二異向性磁電阻與該第四異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向的反方向；在該第二時間，該第二磁化方向設定元件將該第五異向性磁電阻與該第七異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向，且將該第六異向性磁電阻與該第八異向性磁電阻的磁化方向設定為該第二方向的反方向。
9. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測器，其中該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件為導電片、導電線圈、導線或導體。

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