与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件 【技术领域】
本发明涉及一种与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，属于接口数据信号通讯技术领域。
【背景技术】
隔离信号耦合器件广泛应用于计算机网络接口、数据传输、通讯、传感器/测量仪器、移动电子、医疗电子等多个领域。隔离信号耦合器件的基本作用就是在电气隔离的状态下进行数据信号通讯。隔离信号耦合器件能够减小或消除地面回路噪音和共模电压效应以及由此而引起的对接口和附属电路的损坏。现在应用比较广泛的是光电信号隔离耦合器件(以下简称光电耦合器)，其操作原理是基于对光信号的发射和探测。光电耦合器由一层光学透明的绝缘层分开的光信号发射器和探测器密闭封装在一起组成。光电耦合器存在以下几个本质缺点：体积大、速度慢(＜10MHz)、不易集成、不防辐射和容易老化。因此，光电耦合器越来越不适应现代高速电子系统的要求。显然，需要开发新的技术以应对光电耦合器的本质缺点所带来的挑战。光电耦合器依据光作为载体来传递信号，但信号也可通过其它载体如磁场或电场等来传递。近年来，美国ADI公司推出的基于线圈互感原理的iCoupler耦合器件技术和美国NVE公司开发成功的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件技术都是通过磁场作为载体来进行信号传递的。ADI公司的iCoupler耦合器件技术(美国专利申请号：09/838,520)是一种线圈线圈绝缘隔离配置的数字信号隔离耦合器件。它需要一个专用的驱动电路将输入电压转化为调制脉冲电流信号来产生调制脉冲磁场，然后通过获取线圈接收到的磁场信号并将信号解调为原始信号。该器件与光电耦合器件有截然区别，它需要先将输入信号转化为脉冲电流信号，这增加了器件电路的复杂性并使器件与大多数光电耦合器件在使用上不能兼容。NVE公司的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件(美国专利号：US6,300,617)的中心结构是平面绝缘隔离的线圈-GMR传感器接收单元。这种信号隔离耦合器件需要一个电流驱动电路以使信号电流通过线圈产生信号磁场，然后通过GMR传感器单元探测接收信号磁场并通过读出电路进行重构和读出(如图1所示)。驱动电路首先将输入信号转化为一系列非常短的脉冲电流，该脉冲电流通过平面线圈以产生信号磁场。NVE所设计的线圈是单层平面线圈(如图2所示)，其有两个电流信号输入焊接盘，一个在线圈内，一个在线圈外。为了保证线圈能够产生足够强的磁场以使工作在锁存状态下的磁敏传感器能够正常工作，线圈中的电流需要高达50mA。根据信号电流/磁场的方向，磁敏传感器的输出信号状态将在磁滞回线的两个剩磁状态之间切换，即锁存操作模式。探测到的信号通过输出放大器输出。这种锁存操作模式主要有三个缺点：第一就是器件不能完全与光电耦合器兼容，需要一个专用的驱动器将电压信号转换为电流信号；第二是在意外的电源掉电后，输出信号的状态在重新启动后不确定。第三是自由层的磁化翻转涉及到了磁畴壁运动，这不仅会产生巴克豪森噪音，而且还会限制翻转速度。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一种采用高灵敏度的磁敏传感器作为测量单元来传递磁场信号、磁信号强度好、体积小、速度快、灵敏度高、能耗低的与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，其与光电耦合器件的工作模式类似，在使用上可与其完全兼容。为此，本发明采用如下技术方案：本发明采用如下技术方案：
与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，其特征在于包括由线圈及与线圈隔离并接受磁信号的高灵敏度磁敏传感器和放大比较电路三部分，所述的线圈由相串联的两层金属平面线圈组成。磁电隔离信号耦合器件与光电耦合器件原理相似：光电耦合器件用光来传递信号，而磁电耦合器件用磁场来传递信号。磁电隔离信号耦合器件的具体工作原理是先将电流输入电压信号通过线圈转换成磁场信号，所产生的磁场信号被磁敏传感器接收并传递给放大比较电路后输出。本发明所采用的双层线圈结构具有以下优点：1)相比于现有技术的单层线圈，单位电流通过时能够产生更强的磁场信号，可增大通过线圈的输入信号电流所产生的信号磁场强度，在线圈下相同距离处传感器产生的输出更大；2)线圈的电流焊盘位于同一侧，可减小线圈的尺寸；3)输入信号电流焊盘(Pad)可安排在线圈之外，有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸。线圈配合高灵敏度的磁敏传感器，信号传输效果好。
对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合：
所述的磁敏传感器是GMR磁敏电阻或由其组合而成的电桥。
所述地磁敏传感器是MTJ磁敏电阻或由其组合而成的电桥。MTJ磁敏电阻为MTJ(磁隧道结)单元串联而组成。
为降低器件能耗，线圈输入电流产生的信号磁场强度与输入电流值的比率要大，同时探测信号磁场的磁敏传感器的灵敏度要高。因此，本发明采用非常灵敏的GMR或MTJ磁敏电阻或各自组成的电桥作为传感器来测量信号磁场，这样线圈中所需要的驱动电流很小，不仅可降低能耗而且能使驱动电路简化甚至不需要驱动电路，直接由数字信号源驱动。这样所发明的器件就可完全与光电耦合器件兼容，并可作为一种用于接口方面的通用信号隔离耦合器件，可广泛应用于计算机网络接口、数据传输、通讯、传感器/测量仪器、移动电子、医疗电子等领域。
所述的线圈上设置有软磁屏蔽层。如NiFe层，可屏蔽外来无关磁场或环境磁场的干扰，并进一步增强单位信号电流所产生磁场的强度。
所述的GMR磁敏电阻是由GMR自旋阀材料制成，GMR自旋阀材料是多层膜结构：含自由铁磁层、非磁性导电层Cu层、被钉扎层和钉扎层四层。自由铁磁层材料可是NiFeCo、CoFe或其组合结构；被钉扎层可是NiFeCo、CoFe或复合层结构CoFe/Ru/CoFe；钉扎层可是IrMn、NiMn、PtMn或CrPtMn。
所述的MTJ磁敏电阻是由MTJ材料制成，MTJ材料：含自由铁磁层、隧道阻挡层、被钉扎层和钉扎层四层。MTJ材料与GMR材料结构类似，含自由铁磁层、隧道阻挡层、被钉扎层和钉扎层四层。与GMR材料不同的地方是用隧道阻挡层取代了非磁性导电层Cu层。隧道阻挡层可是Al2O3或MgO。
所述的磁敏传感器为由线性的GMR磁敏电阻或MTJ磁敏电阻组成的惠斯通电桥。磁敏传感器通常采用由四个脚电阻组成的惠斯通电桥结构。电桥的脚电阻则是GMR或MTJ磁敏电阻。若所组成电桥的磁敏电阻单元被设计在线性工作模式下，它的电阻变化DR正比于外加磁场强度。
所述的电桥上方设有绝缘层。磁敏电阻单元及其所组成的电桥与集成导线之间通过一绝缘层如S3N4或Al2O3来隔离，用于输入电流线圈与磁敏单元之间的电隔离。
所述的线圈在单向电流模式或双向电流模式下工作。根据信号电流流向，本发明的磁电耦合器件可工作在单向模式也可工作在双向模式下。在单向电流工作模式下，输入信号驱动电流在线圈中是单向流动的；在双向电流工作模式下，线圈中的驱动电流是双向流动的。在单向电流工作模式下，在线圈中通有正向电流时的电桥输出可以定义为“1”态，而线圈中无电流时的电桥输出可以定义为“0”态。这种单向电流工作模式与光电耦合器工作模式完全兼容，因此可直接取代光电耦合器。“0”态和“1”态能够被输出放大器直接读取。在双向电流工作模式下，在线圈中通有正向电流时的电桥输出可以定义为“1”态，而线圈中通有负向电流时的电桥输出可以定义为“0”态。“0”态和“1”态能够被输出放大器直接读取。
所述的惠斯通电桥在没有电流输入时可预先设置一个初始输出偏置值以代表“0”态(初始态)。单向电流模式或双向电流模式下都可通过给传感器电桥预先设置一个初始输出偏置值以定义为“0”态(初始态)。这样器件在意外掉电后始终回到一个固定的“0”态(初始态)， 这对系统的电源失效保护非常重要。
本发明利采用双层金属线圈以及GMR或MTJ传感器，一方面提高信号磁场转换效率，另一方面采用高灵敏度的GMR或MTJ磁敏传感器电桥接收、传递信号，所需驱动电流小、能耗低，可直接由数字信号源驱动，体积小，单向电流工作模式与光电耦合器工作模式完全兼容，因此可直接取代光电耦合器。
【附图说明】
图1为现有技术中NVE公司开发的磁电信号隔离耦合器件原理示意图；
图2为现有技术中NVE公司开发的GMR磁电耦合器件的驱动电路示意图；
图3为本发明实施例的MTJ磁电数字耦合器原理示意图；
图4为本发明实施例中双层线圈的结构示意图；
图5为本发明实施例中双层线圈的剖面结构示意图；
图6为本发明实施例中无磁场屏蔽层时，在线圈下8μm处磁场X分量沿X轴的强度分布图；
图7为本发明实施例中具有屏蔽层的双层线圈的结构示意图；
图8为本发明实施例有磁场屏蔽层时，在线圈下8μm处磁场X分量沿X轴的图；
图9为本发明实施例中电桥传感单元与集成导线之间的相对位置示意图；
图10为现有技术中光电耦合器示意图(a)和本发明实施例的结构示意图(b)；
图11为本发明实施例中GMR磁敏电阻结构示意图；
图12为本发明实施例中工作在线性模式下的GMR自旋阀材料结构示意图(a)及对信号磁场的响应曲线(b)；
图13为本发明实施例工作在双向模式下的磁电数字信号隔离耦合器的电压、磁场范围图；
图14为本发明实施例工作在单向模式下的磁电数字信号隔离耦合器的电压、磁场范围图；
图15为本发明实施例的应用结构示意图。
图中：1、线圈，11、焊盘，2、屏蔽层，3、钉扎层，4、被钉扎层，5、Cu层，6、自由铁磁层，R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻。
【具体实施方式】
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步的说明。
图1、图2分别为现有技术示意图，在此不多赘述。
如图3所示，本发明首先将输入电压信号通过线圈转换成磁场信号，所产生的磁场信号被线性磁敏传感器接收并通过输出比较电路整形输出。
如图4、5所示，本发明中线圈1由相串联的两层金属平面线圈所组成，焊盘11可位于线圈外并在同一侧，以缩小整体结构。实际产品中每层由8道线圈组成，两层线圈之间的间距为1μm，上下基本重叠。线圈的进线和回线布线间的间距均为30μm，布线线宽为2μm，布线之间的间距为1.5μm。
如图6所示，在4mA激励电流下，在进线布线和回线布线的中心下方8μm处产生的磁场约为9.0 Oe。在进线布线下产生约8.5 Oe的平均正磁场；在回线布线下产生约8.5 Oe的平均负磁场。
如图7所示，可在双层线圈上方加上屏蔽层2，屏蔽层2距离上层线圈约0.5μm较为适宜，屏蔽层材料可采用NiFe或其它等同材质。这层屏蔽层不仅可以减小外来无关磁场或环境磁场对磁敏传感器件的干扰，还可增强单位信号电流所产生磁场的强度。
图8是在4mA激磁电流下产生的在线圈下8μm处的平行于X轴的磁场。对比图6所示的无NiFe屏蔽层的状况，信号磁场增强了近一倍：在进线布线下产生约16.8 Oe的正磁场；在回线布线下产生约16.8 Oe的负磁场。激励电流产生信号磁场的效率约为4.2Oe/mA。
如图9所示，如果磁性传感器电桥的4个磁敏电阻单元R1、R2、R3、R4与集成导线线圈的相对位置形成“推拉结构”，磁性传感器的输出可实现最大化。
在有NiFe磁场屏蔽层时，假设信号电流为1mA，传感器电桥电压为5V，组成传感器电桥的磁敏电阻随外场的变化灵敏度为0.25％/Oe，则电桥输出为：5000mV×(0.25％/Oe)×(1mA×4.2Oe/mA)＝52.5mV。因为GMR和MTJ材料的磁阻变化率大，很容易使设计得到的磁阻随外场的变化灵敏度大于0.25％/Oe。正因为双层线圈的高信号磁场转换效率和GMR或MTJ传感器的高灵敏度，所设计的磁电信号隔离耦合器件只需极小的驱动电流就可以工作，因此所发明的器件也可以直接通过数字信号源来驱动。本发明的磁电信号隔离耦合器件既可以工作在单向模式下也可以工作在双向模式下：在单向电流工作模式下，线圈中的驱动电流是单向流动的；双向电流工作模式下，线圈中的驱动电流是双向流动的。当把器件设计成工作在单向模式时，器件在功能上和光耦合器等效，因此可以用于直接替换光电耦合器产品。
图10为光电耦合器与本发明的磁电耦合器的工作原理电路比较示意图。(a)中，一个典型的光电耦合器的正向工作电流If为5mA。电流通过LED时，发出的光信号传输到电气隔离的另一端，并被位于另一端的光探测器接收。
(b)中，本发明提出的磁电信号隔离耦合器技术与光电耦合器技术工作模式类似并在使用上可完全兼容。只是光耦合器件用光来传递信号，而磁电耦合器用磁场传递信号。磁电耦合器的具体工作原理是先将电信号转换成磁场信号，然后再通过一个磁敏传感器电桥来接收传递。因为线性GMR或MTJ磁敏传感器电桥具有极高的灵敏度，能够探测If在5mA以下电流驱动下的线圈产生的磁场信号，这不仅使器件能耗大大减少而且也可在信号输入端的使用上与光电耦合器件完全相同。接收磁场信号的磁敏传感器可是GMR电阻或由其组合而成的电桥，也可是MTJ电阻或由其组合而成的电桥。
如图11所示，典型的GMR磁敏单元是由GMR材料刻蚀成的蛇形电阻组成。
如图12所示，工作在线性模式下的GMR自旋阀材料多层膜结构包括依次排列的自由铁磁层6、非磁性导电Cu层5、被钉扎层4和钉扎层3四层。自由铁磁层材料可是NiFeCo、CoFe或其组合结构；被钉扎层可是NiFeCo、CoFe或复合层结构CoFe/Ru/CoFe；钉扎层可是IrMn、NiMn、PtMn或CrPtMn。MTJ材料与GMR材料结构类似，含自由铁磁层、隧道阻挡层、被钉扎层和钉扎层四层。与GMR材料不同的地方是用隧道阻挡层取代了非磁性导电Cu层。隧道阻挡层可是Al2O3或MgO。被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层的交换耦合固定在纵轴方向(y方向)。而自由层的磁化方向没被固定，可随信号磁场的方向变化而转动。GMR单元的电阻变化量ΔR随自由层磁化方向而改变，并且正比于自由层磁化方向与x轴夹角的正弦值。由能量平衡关系可以推出，ΔR也因此正比于其感应的磁场强度。
磁电耦合器可选择工作在双向电流模式或单向电流模式下。在单向模式下，输入信号驱动电流在线圈中是单向流动的；双向模式下，线圈中的驱动电流是双向流动的。电流产生的磁场信号被磁敏传感器接收、输出，输出的信号通过一个电压比较器进行信号重构。设计的电压比较器应该具有较小的输入信号迟滞，如±10mV。
如图13所示，本发明的MTJ磁电数字耦合器工作在双向模式下，可使MTJ磁敏传感器电桥的初始输出偏置设置为0mV。这样，在线圈中通有正向电流(将产生正向的信号磁场)时的电桥输出(如52.5mV)可以定义为“1”态，而线圈中通有负向电流时的电桥输出(如-52.5mV)可以定义为“0”态。
如图14所示，MTJ磁电数字耦合器也可工作在与光电耦合器件相似的单向电流工作模式下，磁敏传感器电桥在没有电流输入时可可预先设置一个初始输出偏置值，比如-26mV。这个偏置可以表示“0”态。在线圈中通有正向电流时的电桥输出，比如26.5mV，可以定义为“1”态。“0”态和“1”态能够被输出放大器直接读取。上面提出的单向电流工作模式与光电耦合器模式完全兼容，器件在意外掉电后始终回到一个固定的“0”态(初始态)。
如图15所示，系本发明的磁电信号隔离耦合器件的一个应用图示，在使用上与光电耦合器件完全一样。信号电压通过一个外接电阻流过线圈产生信号磁场，被惠斯通电桥接收，通过比较器重构后实现信号输出。由于磁敏传感器灵敏度高，只需要较小的测量信号，因此线圈中所需要的驱动电流也很小。如果线性磁敏传感器足够灵敏，甚至可以不需要驱动电路，直接由数字信号源驱动。这就可以提供一种用于接口方面的通用信号隔离耦合器件。在提出的这种方法中，由于需要的驱动电流很小，不仅能降低能耗而且能使驱动电路简化甚至去除。这对器件的应用非常重要。
以上附图所示的与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件是本发明的具体实施例，显示其在使用上可与光电耦合器完全兼容，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著的进步，可根据实际的使用需要，对电桥的电路、元器件规格、材质以及排列方式等方面进行修改，在此不多赘述。