本實(shí)用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片磁電阻電流傳感器。

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(hù)、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(jì)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(shí)，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(fèi)了大量的能源；而且電阻發(fā)熱進(jìn)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。

磁電阻電流傳感器的原理是采用磁電阻單元感應(yīng)電流線圈產(chǎn)生的磁場。磁電阻電流傳感器由于制備時(shí)工藝上的偏差，會導(dǎo)致不同磁電阻單元位置處的磁場不同，或者不同位置的磁電阻單元物理參數(shù)和電氣參數(shù)不一致，進(jìn)而影響電流傳感器的測量精度。

因此，有必要對技術(shù)方案做進(jìn)一步的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種單芯片磁電阻電流傳感器，其溫度穩(wěn)定性好，精度高。

本實(shí)用新型是根據(jù)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型一種單芯片磁電阻電流傳感器，包括襯底、磁電阻、焊盤、集成電流線圈和鍵合引線，所述集成電流線圈集成在所述襯底上，所述磁電阻包括至少兩個(gè)磁電阻橋臂，每個(gè)磁電阻橋臂由磁電阻單元串構(gòu)成，所述磁電阻單元串包括一個(gè)磁電阻單元或者多個(gè)串聯(lián)的磁電阻單元，其中磁電阻同一側(cè)端口處的一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列，所有磁電阻橋臂的靈敏方向相同，所述集成電流線圈在磁電阻橋臂處產(chǎn)生的磁場平行于磁電阻橋臂的靈敏方向，且所述集成電流線圈在磁電阻橋臂處產(chǎn)生的磁場的方向與磁電阻橋臂的靈敏方向相同或相反。

進(jìn)一步的，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、偏置層和頂部電極層。

進(jìn)一步的，所述隔離層為非磁性導(dǎo)體層或者非磁性絕緣體層，所述自由層為高磁導(dǎo)率材料層。

進(jìn)一步的，所述偏置層的偏置磁場在所述自由層的磁場方向垂直于所述被釘扎層的磁化方向。

進(jìn)一步的，所述集成電流線圈為導(dǎo)電線圈。

進(jìn)一步的，所述磁電阻為半橋結(jié)構(gòu)，所述磁電阻橋臂為兩個(gè)，所述集成電流線圈產(chǎn)生的磁場在該兩個(gè)磁電阻橋臂處的方向相反。

進(jìn)一步的，所述磁電阻為全橋結(jié)構(gòu)，所述磁電阻橋臂為四個(gè)，所述集成電流線圈產(chǎn)生的磁場在其中兩個(gè)磁電阻橋臂處的方向與在另兩個(gè)磁電阻橋臂處的方向相反。

進(jìn)一步的，所述集成電流線圈位于所述磁電阻單元的正上方或者正下方。

進(jìn)一步的，所述集成電流線圈具有兩個(gè)端子，每個(gè)端子具有一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)連接的焊盤。

本實(shí)用新型由單芯片磁電阻傳感器構(gòu)成的電流傳感器，溫度穩(wěn)定性好，精度高。單芯片磁電阻的設(shè)計(jì)，能降低封裝成本，能減小不同位置由于工藝造成的物理參數(shù)和電氣參數(shù)的偏差；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；被測電流線圈與磁電阻元件集成在一起，輸出特性一致性好，應(yīng)用簡單。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型磁電阻單元立體圖；

圖2是本實(shí)用新型全橋結(jié)構(gòu)磁電阻傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型全橋結(jié)構(gòu)磁電阻傳感器輸出電壓隨加磁場的變化關(guān)系示意圖；

圖4是本實(shí)用新型多根平行通電線圈周圍的磁場分布示意圖；

圖5是本實(shí)用新型的一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的示意圖；

圖6是本實(shí)用新型的一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的電路原理圖；

圖7是本實(shí)用新型的另一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的示意圖；

圖8是本實(shí)用新型的另一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的電路原理圖。

其中，101-磁電阻單元，102-種子層，103-釘扎層，104-被釘扎層，105-被釘扎層的磁化方向，106-隔離層，107-自由層，108-自由層的磁化方向，109-偏置層，201,202,203,204-磁電阻橋臂，205-磁場方向，401,402,403,404-導(dǎo)線，405,406,407,408-磁電阻橋臂，501-集成電流線圈，502-襯底，503,504-焊盤，505-磁電阻單元，506-磁電阻單元的敏感方向，507-電流方向，508-導(dǎo)線，509-磁場方向，5010-磁場方向，601,602,603,604-磁電阻橋臂，605-磁場方向，606-磁場方向，701-集成電流線圈，702-襯底，703，704-焊盤，705-磁電阻單元，706-磁電阻單元的靈敏方向，707-電流方向，708-導(dǎo)線，709-磁電阻單元磁場方向，7010-磁電阻單元的磁場方向，801,802,803,804-磁電阻橋臂，805-磁場方向，806-磁場方向，807-磁電阻橋臂的靈敏方向。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

圖1是本實(shí)用新型磁電阻單元立體圖。磁電阻單元101如圖1所示，102是種子層，103是釘扎層，釘扎層的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是偏置層(即交換偏置層)，由反鐵材料構(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，由于與偏置層109的交換耦合作用，在沒有外加磁場時(shí)，其磁化方向108被固定。且由于偏置層和釘扎層的退火方向互相垂直，在沒有外加磁場時(shí)，偏置磁場在自由層的磁場方向與被釘扎層的磁化方向互相垂直，此時(shí)磁電阻單元的電阻為R0。當(dāng)外加磁場在被釘扎層的磁化方向105上有分量時(shí)，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示出了四個(gè)磁電阻構(gòu)成的推挽全橋結(jié)構(gòu)傳感器，其中，磁電阻橋臂的靈敏方向向右。每個(gè)磁電阻橋臂包括磁電阻單元串，每個(gè)磁電阻單元串由多個(gè)磁電阻單元101串聯(lián)構(gòu)成，圖2中四個(gè)磁電阻橋臂R1～R4(201～204)中的磁電阻單元的被釘扎層的磁化方向一致，均為圖2中的磁電阻橋臂的靈敏方向。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205向左，四個(gè)磁電阻橋臂隨磁場的變化關(guān)系為：

傳感器的輸出為：

由磁電阻的特性可知，上式為磁場H的線性函數(shù)，可以寫成：

Vo＝Vcc×S×H 式(2)

其中，R₀是沒有外加磁場時(shí)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，Vcc為供電電壓。

圖3示出了推挽全橋傳感器的輸出電壓隨加磁場的變化關(guān)系示意圖，其中，磁電阻橋臂的靈敏方向向右。如圖3所示，301即為推挽全橋傳感器的輸出曲線，其橫坐標(biāo)是外加磁場，縱坐標(biāo)是輸出電壓值。在點(diǎn)302和點(diǎn)303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4是本實(shí)用新型多根平行通電線圈周圍的磁場分布示意圖，當(dāng)多根電流導(dǎo)線位于磁電阻單元正上方或正下方時(shí)，磁電阻單元位置處的磁場是可以被測量出來的，如圖4所示。圖4中導(dǎo)線401和403的電流方向向紙外，則在磁電阻單元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的電流方向向紙內(nèi)，則在磁電阻單元406和408所在位置，電流產(chǎn)生的磁場方向向左。由于四個(gè)磁電阻橋臂的靈敏方向均為向右，則磁電阻單元405和407可以分別作為圖2中的R1和R3，磁電阻單元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)。

若將每一對磁電阻單元和電流導(dǎo)線的相對位置都固定，則磁電阻單元處的磁場H與電流I的關(guān)系是唯一的，記為：

H＝g(I) 式(3)

代入式(2)，可得到傳感器輸出與電流的表達(dá)式為：

Vo＝Vcc×S×g(I) 式(4)

圖5是一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片電流傳感器的示意圖，圖5中深色的曲折線501是集成在襯底502上的集成電流線圈，其具有兩個(gè)線圈端口A和端口B，端口A的焊盤為503，端口B的焊盤為504。圖5中圓形的區(qū)域505代表磁電阻單元，在芯片內(nèi)部的空間分布上，磁電阻單元505位于集成電流線圈501的下方，所有磁電阻單元的靈敏方向?yàn)閳D中箭頭506。為了實(shí)現(xiàn)電路功能，磁電阻具有六個(gè)端口：Vcc1、Vcc2、Vo1、Vo2、GND1和GND2。其中Vcc1與Vo1之間具有6個(gè)磁電阻單元，構(gòu)成一個(gè)磁電阻橋臂，通過導(dǎo)線508串聯(lián)。當(dāng)集成電流線圈上的電流方向如箭頭507時(shí)，Vcc1與Vo1之間的磁電阻單元處磁場方向?yàn)榉较?010。同樣Vo2與GND2之間磁電阻單元處磁場方向?yàn)榉较蛞矠榉较?010，與靈敏方向506相反。而Vo1與GND1之間的磁電阻單元以及Vcc2與Vo2之間的磁電阻單元處的磁場方向?yàn)?09，與靈敏方向506相同。在實(shí)際實(shí)施過程中，端口之間的磁電阻單元個(gè)數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變。由于所有磁電阻單元均位于同一個(gè)晶圓上，并且在磁電阻同一側(cè)端口處的一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列，因此能避免由于工藝原因造成的磁電阻單元物理參數(shù)和電氣參數(shù)的不一致性，提高電流傳感器的測量精度。

為了便于分析，圖6示出了上述一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的電路原理圖，如圖6所示。各端口之間的磁電阻單元串構(gòu)成的橋臂601、602、603和604分別命名為R1、R2、R3和R4，所有磁電阻橋臂的靈敏方向?yàn)?07。其中R1和R3位置處的磁場方向?yàn)?05，與靈敏方向相反；R2和R4位置處的磁場方向?yàn)?06，與靈敏方向相同。當(dāng)Vcc1與Vcc2短路連接，并且GND1與GND2短路連接時(shí)，就構(gòu)成了如圖2中的全橋傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器輸出與電流關(guān)系的表達(dá)式為式(4)。

圖7是另一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片電流傳感器的示意圖，如圖7所示，圖7中深色的曲折線701是集成在襯底702上的集成電流線圈，其具有兩個(gè)線圈端口A1和端口B1，端口A1的焊盤為703，端口B1的焊盤為704。圖7中圓形的區(qū)域705代表磁電阻單元，在芯片內(nèi)部的空間分布上，磁電阻單元705位于集成電流線圈701的下方，所有磁電阻單元的靈敏方向?yàn)閳D7中箭頭706。為了實(shí)現(xiàn)電路功能，磁電阻具有四個(gè)端口：Vcc、Vo1、Vo2和GND。其中Vcc與Vo2之間具有4個(gè)磁電阻單元，構(gòu)成一個(gè)磁電阻橋臂，通過導(dǎo)線708串聯(lián)。當(dāng)集成電流線圈上的電流方向如箭頭707時(shí)，Vcc與Vo1之間的磁電阻單元處磁場方向?yàn)榉较?09。同樣Vo2與GND之間磁電阻單元處磁場方向?yàn)榉较蛞矠?09，與靈敏方向706相同。而Vo1與GND之間的磁電阻單元以及Vcc與Vo2之間的磁電阻單元處的磁場方向?yàn)?010，與靈敏方向706相反。在實(shí)際實(shí)施過程中，端口之間的磁電阻單元個(gè)數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變。由于所有磁電阻單元均位于同一個(gè)晶圓上，并且在磁電阻同一側(cè)端口處的一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列，因此能避免由于工藝原因造成的磁電阻單元物理參數(shù)和電氣參數(shù)的不一致性，提高電流傳感器的測量精度。

為了便于分析，圖8示出了上述另一種全橋結(jié)構(gòu)單芯片磁電阻電流傳感器的電路原理圖，如圖8所示，各端口之間的磁電阻單元串構(gòu)成的橋臂801、802、803和804分別命名為R1、R2、R3和R4，所有磁電阻橋臂的靈敏方向?yàn)?07。其中R1和R3位置處的磁場方向?yàn)?05，與靈敏方向相同；R2和R4位置處的磁場方向?yàn)?06，與靈敏方向相反，與圖2中的全橋傳感器具有相同的電氣結(jié)構(gòu)，傳感器輸出與電流關(guān)系的表達(dá)式為式(4)。

本實(shí)用新型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(gè)磁電阻單元串連和/或并聯(lián)連接，構(gòu)成單芯片的半橋磁電阻或者全橋磁電阻。半橋磁電阻或者全橋磁電阻上方加工電流線圈，通過控制電流的走線，實(shí)現(xiàn)對電流產(chǎn)生的磁場的測量，即構(gòu)成了單芯片磁電阻電流傳感器。

本實(shí)用新型的所有傳感器單元均位于同一芯片上，能減小工藝上造成的物理參數(shù)和電氣參數(shù)的偏差。在磁電阻同一側(cè)端口處的一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串與另一個(gè)磁電阻橋臂的磁電阻單元串交替排列，可以進(jìn)一步減小不同磁電阻的失配問題，提高電流傳感器的線性度。利用微細(xì)加工的方法，將被測電流線圈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(jìn)而提高電流傳感器的測量精度。

基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。盡管本實(shí)用新型就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本實(shí)用新型的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本實(shí)用新型進(jìn)行各種變化和修改。