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1、(10)申请公布号 CN 102419393 A (43)申请公布日 2012.04.18 CN 102419393 A *CN102419393A* (21)申请号 201110452834.2 (22)申请日 2011.12.30 G01R 19/32(2006.01) (71)申请人 江苏多维科技有限公司 地址 215600 江苏省苏州市张家港市保税区 广东路 8 号 (72)发明人 韩连生 白建民 黎伟 王建国 薛松生 (74)专利代理机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 32103 代理人 孙仿卫 李艳 (54) 发明名称 一种电流传感器 (57) 摘要 本发明提供了一种电流传感器。
2、， 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， 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， 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 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。 本发明采用以上结构， 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。
3、围宽， 功耗低， 温度特性好的优点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 14 页 CN 102419405 A1/1 页 2 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。
4、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、 RH值以及 RL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。 权 利。
5、 要 求 书 CN 102419393 A CN 102419405 A1/5 页 3 一种电流传感器 技术领域 0001 本发明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 0002 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。 0003 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。
6、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。 0004 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, T。
7、unnel 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。
8、稳定性， 更高的灵敏度， 更低的功耗， 更宽的线性范围。 0005 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 0006 本发明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。 0007 为达到上述目的， 本发明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。
9、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。 说 明 书 CN 102419393 A CN 102419405 A2/5 页 4 0008 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。
10、度特性、 RH值以及 RL值。 0009 优选地， 惠斯通电桥为惠斯通半桥。 0010 优选地， 所述惠斯通电桥为惠斯通全桥。 0011 本发明采用以上结构， 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。 0012 附图说明 0013 图 1 是隧道结磁电阻元件 （MTJ） 的示意图。 0014 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。 0015 图 3 是 MTJ 元件 1 串联而形成一个等效 MTJ 磁电阻的概念图。 0016 图 4 是不同温度下 MTJ 磁电阻的磁阻变化曲线图。 0017 。
11、图 5 是一种 MTJ 惠斯通推挽半桥的概念图。 0018 图 6 是 MTJ 推挽半桥的典型输出图。 0019 图 7 是 MTJ 推挽半桥在不同温度下的输出的模拟结果。 0020 图 8 是一种 MTJ 惠斯通推挽全桥的概念图。 0021 图 9 是 MTJ 推挽全桥的典型输出图。 0022 图 10 是 MTJ 推挽全桥在不同温度下的输出的模拟结果。 0023 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。 0024 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。 0025 图 13 是一种含温度补偿电阻的 MTJ 推挽全桥电流传。
12、感器芯片的概念图。 0026 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 0027 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。
13、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。
14、阻态和低阻态间线性变化。 0028 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 说 明 书 CN 102419393 A CN 102419405 A3/5 页 5 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， Ho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。
15、接近H=0 的点， Ho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， 。
16、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。 0029 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。 0030 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。
17、， 稳恒电压Vbias施加于焊盘Vbias端 和 GND 端， 焊盘 VOUT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。 0031 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。 0032 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。
18、接， 稳恒电压 Vbias施加于焊盘 Vbias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。 0033 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， 。
19、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) 说 明 书 CN 102419393 A CN 102419405 A4/5 页 6 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。 0034 图 10 是 MTJ 推挽全桥在不同温度下的输。
20、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。 0035 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 RT（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。
21、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。 0036 图 12 是另一种含温度补偿电阻 RT（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。
22、， 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。 0037 图 13 是含温度补偿电阻 RT（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、 。
23、R12、 R21、 R22 组成惠斯通全桥与温补电阻 RT（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 说 明 书 CN 102419393 A CN 102419405 A5/5 页 7 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 。
24、21 以测量待测电流。 0038 电桥电路的输出 VOUT(T) 和实际输出值 VOUT随温度变化可以拟合成线性函数 ： (8) 其中 kT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 kT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。 0039 以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明， 很明显， 在不离开本发明的范 围和精神的基础上， 可以对现有技术和工艺进行很多修改。 在本发明的所属技术领域中， 只 要掌握通常知识， 就可以在本发明的技术要。
25、旨范围内， 进行多种多样的变更。 说 明 书 CN 102419393 A CN 102419405 A1/14 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A2/14 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A3/14 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A4/14 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A5/14 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 102419393 A。
26、 CN 102419405 A6/14 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A7/14 页 14 图 7 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A8/14 页 15 图 8 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A9/14 页 16 图 9 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A10/14 页 17 图 10 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A11/14 页 18 图 11 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A12/14 页 19 图 12 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A13/14 页 20 图 13 说 明 书 附 图 CN 102419393 A CN 102419405 A14/14 页 21 图 14 说 明 书 附 图 CN 102419393 A 。