專利名稱：一種電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電流傳感器，尤其是一種采用隧道結(jié)磁電阻為敏感元件的含溫度補(bǔ)償磁電阻的電流傳感器。
背景技術(shù)：
常用的電流傳感器通常采用霍爾元件為敏感元件，也有采用各向異性磁電阻(AMR)或巨磁電阻(GMR)為敏感元件的電流傳感器，其共同點(diǎn)在于都是屬于磁敏感元件，通過敏感被測通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場來實(shí)現(xiàn)對其電流大小的測量?；魻栐撵`敏度極低，以霍爾元件為敏感元件的電流傳感器通常使用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場，提高霍爾輸出靈敏度，從而增加了傳感器的體積和重量，同時(shí)霍爾元件具有功耗大，線性度差的缺陷。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多，但是其線性范圍窄，同時(shí)以AMR為敏感元件的電流傳感器需要設(shè)置set/reset線圈對其進(jìn)行預(yù)設(shè)_復(fù)位操作，造成其制造工藝的復(fù)雜，線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時(shí)也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的電流傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度，但是其線性范圍偏低。隧道結(jié)磁電阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)(TMR，TunnelMagnetoresistance),主要表現(xiàn)在磁性多層膜材料中隨著外磁場大小和方向的變化,磁性多層膜材料的電阻發(fā)生明顯變化，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件具有更大的電阻變化率，同時(shí)相對于霍爾元件和GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性。以MTJ元件為敏感元件的電流傳感器比霍爾電流傳感器具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；相對于AMR電流傳感器具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更寬的線性范圍，不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)；相對于GMR電流傳感器具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍。MTJ電流傳感器的溫度特性雖然強(qiáng)于以霍爾元件、AMR元件和GMR元件為敏感元件的電流傳感器，但是在實(shí)際使用中依然存在溫度漂移現(xiàn)象。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種一種電流傳感器，以MTJ為敏感元件，且能對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅?，具有靈敏度高，線性范圍寬，功耗低，體積小，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種電流傳感器，包括集成設(shè)置在同一芯片內(nèi)的由MTJ磁電阻組成的惠斯通電橋以及一個(gè)或多個(gè)MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻、電流導(dǎo)線，所述電流導(dǎo)線靠近惠斯通電橋并且其中可通有被測電流，所述MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻四周設(shè)置有永磁體，該永磁體將MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻的自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向呈反向平行以使MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻處于阻值在測量范圍內(nèi)僅隨溫度變化的高阻態(tài)，所述惠斯通電橋和MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻相串聯(lián)以在惠斯通電橋的兩端得到穩(wěn)定的輸出電壓，并且通過該穩(wěn)定的輸出電壓得到被測電流產(chǎn)生的磁場從而得到被測電流值。[0008]優(yōu)選地，所述MTJ磁電阻和MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻由一個(gè)或多個(gè)MTJ元件串聯(lián)而成，多個(gè)MTJ元件具有相同的溫度特性、Rh值以及&值。優(yōu)選地，惠斯通電橋?yàn)榛菟雇ò霕颉?yōu)選地，所述惠斯通電橋?yàn)榛菟雇ㄈ珮?。本?shí)用新型采用以上結(jié)構(gòu)，能對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅鳎哂徐`敏度高，線性范圍寬，功耗低，體積小，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。
圖I是隧道結(jié)磁電阻元件(MTJ)的示意圖。圖2是適用于線性磁場測量的MTJ元件沿難軸方向的磁阻變化曲線示意圖。圖3是MTJ元件I串聯(lián)而形成一個(gè)等效MTJ磁電阻的概念圖。圖4是不同溫度下MTJ磁電阻的磁阻變化曲線圖。圖5是一種MTJ惠斯通推挽半橋的概念圖。圖6是MTJ推挽半橋的典型輸出圖。圖7是MTJ推挽半橋在不同溫度下的輸出的模擬結(jié)果。圖8是一種MTJ惠斯通推挽全橋的概念圖。圖9是MTJ推挽全橋的典型輸出圖。圖10是MTJ推挽全橋在不同溫度下的輸出的模擬結(jié)果。圖11是一種含溫度補(bǔ)償電阻的MTJ推挽半橋電流傳感器芯片的概念圖。圖12是另一種含溫度補(bǔ)償電阻的MTJ推挽半橋電流傳感器芯片的概念圖。圖13是一種含溫度補(bǔ)償電阻的MTJ推挽全橋電流傳感器芯片的概念圖。圖14是不同磁場下增加溫補(bǔ)電阻前后MTJ推挽橋式電流傳感器溫度系數(shù)的測試結(jié)果。
具體實(shí)施方式
圖I是一個(gè)MTJ多層膜元件的功能概念簡圖。一個(gè)MTJ元件I 一般包括上層的鐵磁層或人工反鐵磁層(Synthetic Anti ferromagnetic, SAF )5,以及下層的鐵磁層或SAF層3，兩個(gè)磁性層之間的隧道勢壘層4。在這種結(jié)構(gòu)中，上層的鐵磁層和(SAF層)5組成了磁性自由層，其磁化方向隨外部磁場的改變而變化。下層的鐵磁層(SAF層)3是一個(gè)固定的磁性層，因?yàn)槠浯呕较蚴轻斣谝粋€(gè)方向，在一般條件下是不會改變的。釘扎層通常是在反鐵磁性層2的上方或下方沉積鐵磁層或SAF層。MTJ結(jié)構(gòu)通常是沉積在導(dǎo)電的種子層10的上方，同時(shí)MTJ結(jié)構(gòu)的上方為電極層6。MTJ的種子層10和保護(hù)層6之間的測量電阻值11代表自由層5和釘扎層3的相對磁化方向。當(dāng)上層的鐵磁層(SAF層)5的磁化方向與下層的鐵磁層3的磁化方向平行時(shí)，整個(gè)元件的電阻11在低阻態(tài)。當(dāng)上層的鐵磁層(SAF層)5的磁化方向與下層的鐵磁層3的磁化方向反平行時(shí)，整個(gè)元件的電阻11在高阻態(tài)。通過已知的技術(shù)，MTJ元件I的電阻可隨著外加磁場在高阻態(tài)和低阻態(tài)間線性變化。圖2是適用于線性磁場測量的MTJ元件I的磁阻變化曲線示意圖。輸出曲線在低阻態(tài)12和高阻態(tài)13的阻值時(shí)飽和。當(dāng)釘扎層磁化方向8和自由層磁化方向7平行時(shí)，MTJ元件I的阻值為低阻態(tài)12 ;當(dāng)釘扎層磁化方向8和自由層磁化方向7反平行時(shí)，MTJ元件I的阻值為高阻態(tài)13。在達(dá)到飽和之前，輸出曲線是線性依賴于外加磁場H。輸出曲線通常不與H=O的點(diǎn)對稱，H。是飽和場21、22之間的典型偏移，低阻態(tài)12對應(yīng)的飽和區(qū)域更接近H=O的點(diǎn)，H。的值通常被稱為“桔子皮效應(yīng)(Orange Peel)”或“奈爾耦合(Neel Coupling)”，其典型值通常在I到25 Oe之間，與MTJ元件I中鐵磁性薄膜的結(jié)構(gòu)和平整度有關(guān)，依賴于材料和制造工藝。在不飽和區(qū)域，輸出曲線方程可以近似為
權(quán)利要求1.ー種電流傳感器，其特征在于包括集成設(shè)置在同一芯片內(nèi)的由MTJ磁電阻組成的惠斯通電橋以及ー個(gè)或多個(gè)MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻、電流導(dǎo)線，所述電流導(dǎo)線靠近惠斯通電橋并且其中可通有被測電流，所述MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻四周設(shè)置有永磁體，該永磁體將MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻的自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向呈反向平行以使MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻處于阻值在該電流傳感器的測量范圍內(nèi)僅隨溫度變化的高阻態(tài)，所述惠斯通電橋和MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻相串聯(lián)以在惠斯通電橋的兩端得到穩(wěn)定的輸出電壓，該電流傳感器通過惠斯通電橋的兩端的輸出電壓得到被測電流產(chǎn)生的磁場從而得到被測電流值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電流傳感器，其特征在于所述MTJ磁電阻和MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻由ー個(gè)或多個(gè)MTJ元件串聯(lián)而成，多個(gè)MTJ元件具有相同的溫度特性、Rh值以及も值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電流傳感器，其特征在于所述惠斯通電橋?yàn)榛菟雇ò霕颉?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電流傳感器，其特征在于所述惠斯通電橋?yàn)榛菟雇ㄈ珮颉?br> 專利摘要本實(shí)用新型提供了一種電流傳感器，包括集成設(shè)置在同一芯片內(nèi)的由MTJ磁電阻組成的惠斯通電橋以及MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻、電流導(dǎo)線，電流導(dǎo)線靠近惠斯通電橋并且其中可通有被測電流，MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻四周設(shè)置有永磁體，永磁體將MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻的自由層的磁化方向與釘扎層的磁化方向呈反向平行以使MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻處于阻值在測量范圍內(nèi)僅隨溫度變化的高阻態(tài)，惠斯通電橋和MTJ溫度補(bǔ)償磁電阻相串聯(lián)以在惠斯通電橋的兩端得到穩(wěn)定的輸出電壓，通過穩(wěn)定的輸出電壓得到被測電流產(chǎn)生的磁場從而得到被測電流值。本實(shí)用新型采用以上結(jié)構(gòu)，能對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅?，具有靈敏度高，線性范圍寬，功耗低，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01R19/32GK202421321SQ20112056537
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者王建國, 白建民, 薛松生, 韓連生, 黎偉 申請人:江蘇多維科技有限公司