CN102928651A - Tmr电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TMR电流传感器，包括芯片、印刷电路板、绝缘环和磁性屏蔽环；绝缘环设于磁性屏蔽环内，绝缘环的内空间供待测电流导线穿过，芯片封装在印刷电路板上，芯片和印刷电路板设于磁性屏蔽环内，且芯片和印刷电路板位于绝缘环与磁性屏蔽环之间；芯片的电路结构为惠斯通电桥，惠斯通电桥的每一个桥臂包括至少一个TMR元件，第一桥臂与第二桥臂的TMR元件相同，且第三桥臂与第四桥臂的TMR元件相同；TMR元件为多层膜结构。本发明的TMR电流传感器测量精度较高、测量范围较大、体积小、重量轻、成本低。本发明用于电流的测量。
Description
技术领域
本发明涉及电流传感器技术领域，特别涉及一种隧道磁电阻(TMR)电流传感器。
背景技术
现有技术中，电流传感器一般采用霍尔元件作为敏感元件，通过检测待测电流产生的磁场大小实现对待测电流的测量。除了霍尔元件之外，现有的电流传感器也采用各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件作为敏感元件，其测量原理与采用霍尔元件的电流传感器相同。
由于霍尔元件的灵敏度较低，采用霍尔元件的电流传感器通常利用铁心的聚磁效应提高其测量精度。采用霍尔元件的电流传感器包括开环型、闭环型和点阵式三种。
采用霍尔元件的开环型电流传感器以带气隙的铁心为导磁体，并将霍尔元件置于铁心的气隙内。采用霍尔元件的开环型电流传感器的测量精度较低，一般可达10-2量级。由于铁心存在磁滞损耗，当待测电流在较大范围内波动时，铁心气隙内的磁感应强度与待测电流之间变化关系将与线性关系发生偏差，特别是待测电流较小时，二者的偏差尤为明显。因此，当待测电流较小时，采用霍尔元件的开环型电流传感器的测量误差将急剧增加。
采用霍尔元件的闭环型电流传感器在上述开环型电流传感器的基础上做了一些改进。采用霍尔元件的闭环型电流传感器的带气隙的铁心上均匀布置有平衡绕阻，霍尔元件不是用于直接测量待测电流的大小，而是用于测量剩余磁通，且霍尔元件输出的霍尔电势控制一定大小的电流通过平衡绕阻。稳态下，平衡绕阻与待测电流保持良好的线性关系，其比例系数为平衡绕阻的绕线砸数与待测电流绕线砸数的比值，通过检测平衡绕阻中的电流大小即可获得待测电流的大小。采用霍尔元件的闭环型电流传感器稳定可靠，测量精度可达10-3量级。但是，平衡绕阻的电路的驱动能力有限，因此用于测量大电流的上述闭环型电流传感器的制作成本较高。
采用霍尔元件的点阵式电流传感器采用由多个霍尔元件组成的阵列作为敏感元件。将多个霍尔元件按预先设定的路径均匀、对称地分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在的平面都穿过路径的中心轴线。将多个霍尔元件组成的阵列置于圆筒形的屏蔽筒中。上述点阵式霍尔电流传感器不需要铁心，因此克服了铁心导致的线性度变差、动态范围小、体积大、笨重、成本高等缺点。但是，由于霍尔元件本身的灵敏度较低，采用霍尔元件的点阵式电流传感器的测量精度较低。
与采用霍尔元件作为敏感元件的电流传感器相比，采用GMR元件作为敏感元件的电流传感器的测量精度有所提高。但是，由于GMR元件本身的线性范围较小，采用GMR元件作为敏感元件的电流传感器的测量范围较小。
非常需要一种测量精度高、测量范围大、体积小、重量轻、成本低的TMR电流传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种TMR电流传感器，其测量精度较高、测量范围较大、体积小。本发明采用的技术方案是：
本发明提供的TMR电流传感器包括芯片、印刷电路板、绝缘环和磁性屏蔽环；所述绝缘环设于所述磁性屏蔽环内，所述绝缘环的内空间供待测电流导线穿过，所述芯片封装在所述印刷电路板上，所述芯片和所述印刷电路板设于所述磁性屏蔽环内，且所述芯片和所述印刷电路板位于所述绝缘环与所述磁性屏蔽环之间。
所述芯片的电路结构为惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述惠斯通电桥的每一个桥臂包括至少一个TMR元件，所述第一桥臂与所述第二桥臂的TMR元件相同，且所述第三桥臂与所述第四桥臂的TMR元件相同。
所述TMR元件为多层膜结构，所述TMR元件包括依次沉积在基片上的绝缘层、钉扎层、被钉扎层、隧道势垒层和磁性自由层，所述磁性自由层为铁磁层，且所述磁性自由层的磁矩方向能够随外磁场的大小和方向的改变而变化，所述被钉扎层为铁磁层或者由铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，所述被钉扎层的磁矩方向被所述钉扎层钉扎在一个方向，且在数值大于或等于TMR元件的量程且小于被钉扎层的饱和磁化场的外磁场作用下所述被钉扎层的磁矩方向能够保持不变，所述钉扎层为反铁磁层。
优选地，所述绝缘环包括第一绝缘半环和第二绝缘半环，且所述第一绝缘半环和所述第二绝缘半环配合能够构成一个完整的绝缘环。所述磁性屏蔽环包括第一磁性屏蔽半环和第二磁性屏蔽半环，且第一磁性屏蔽半环和所述第二磁性屏蔽半环配合能够构成一个完整的磁性屏蔽环。
优选地，所述惠斯通电桥的每一个桥臂的TMR元件相同。
优选地，所述印刷电路板上设有多个引脚，所述惠斯通电桥的输入端和输出端与所述引脚电连接。
优选地，当所述惠斯通电桥的每一个桥臂包括多个TMR元件时，该多个TMR元件串联和/或并联。
优选地，所述被钉扎层和所述磁性自由层的材质为Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCoB或FeCoNi。
优选地，所述被钉扎层为由FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。
优选地，所述钉扎层的材质为PtMn、IrMn或FeMn。
优选地，所述隧道势垒层的材质为MgO或Al2O3。
本发明的优点：
(1)本发明的TMR电流传感器采用TMR元件作为敏感元件，且TMR元件采用多层膜结构，因此其测量精度较高、测量范围较大。
(2)本发明的TMR电流传感器不需要使用铁心，因此其体积小、重量轻、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的TMR电流传感器的示意图。
图2为惠斯通电桥的等效电路图。
图3为TMR元件的多层膜结构示意图。
图4为TMR元件的电阻值R随外磁场H的变化曲线图。
图5为本发明实施例二提供的TMR电流传感器的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图２、图3、图4所示：
实施例一
本实施例提供的TMR电流传感器包括芯片1、印刷电路板（PCB）2、绝缘环3和磁性屏蔽环4，如图1所示。绝缘环3设于磁性屏蔽环4内。绝缘环3的内空间供待测电流导线穿过，用于使待测电流导线与所述TMR电流传感器之间电绝缘。芯片1封装在印刷电路板2上。芯片1和印刷电路板2设于磁性屏蔽环4内，且所述芯片1和所述印刷电路板2位于绝缘环3与磁性屏蔽环4之间。磁性屏蔽环4用于屏蔽TMR电流传感器以外的磁场对所述TMR电流传感器的干扰，从而提高所述TMR电流传感器的测量精度。印刷电路板2上设有多个引脚5。
芯片1的电路结构采用惠斯通电桥6。如图2所示，惠斯通电桥6包括四个桥臂，即第一桥臂61、第二桥臂62、第三桥臂63和第四桥臂64。惠斯通电桥6的两个输入端分别为第一输入端In1和第二输入端In2，其中例如第二输入端In2接地。惠斯通电桥6的两个输出端分别为第一输出端Out1和第二输出端Out2。惠斯通电桥6的第一输入端In1、第二输入端In2、第一输出端Out1和第二输出端Out2都与印刷电路板2上的引脚5电连接。惠斯通电桥6的每一个桥臂包括至少一个TMR(隧道磁电阻)元件7。当惠斯通电桥6的每一个桥臂包括多个TMR元件7时，该多个TMR元件7串联和/或并联。惠斯通电桥6的第一桥臂61与第二桥臂62的TMR元件7相同；其第三桥臂63与第四桥臂64的TMR元件7相同。优选地，惠斯通电桥6的每一个桥臂的TMR元件7相同。
在本实施例中，TMR元件7采用多层膜结构，如图3所示，TMR元件7包括依次沉积在基片71上的绝缘层72、钉扎层73、被钉扎层74、隧道势垒层75和磁性自由层76。被钉扎层74和磁性自由层76为铁磁层，其材质为例如Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCoB或FeCoNi。被钉扎层74也可以是由铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，例如由FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。钉扎层73与被钉扎层74之间的交换耦合作用使得被钉扎层74的磁矩方向77被钉扎在一个方向，且在数值大于或等于TMR元件7的量程且小于被钉扎层74的饱和磁化场的外磁场作用下所述被钉扎层74的磁矩方向77能够保持不变。钉扎层73为反铁磁层，其材质为例如PtMn、IrMn或FeMn。隧道势垒层75的材质为例如MgO或Al2O3。磁性自由层76的磁矩方向78能够随外磁场H的大小和方向的改变而变化。在外磁场H的作用下，磁性自由层76的磁矩方向78能够从与被钉扎层74的磁矩方向77平行的方向逐步改变为与被钉扎层74的磁矩方向77反平行的方向，且反之亦然。基片71的材质通常采用硅、石英、耐热玻璃、GaAs、或AlTiC。在本实施例中，绝缘层72的面积大于钉扎层73的面积。
下面简单介绍TMR元件7的工作原理。TMR元件7的电阻值R的大小与磁性自由层76和被钉扎层74的磁矩的相对取向有关。在理想状态下，TMR元件的电阻值R随外磁场H的变化曲线如图4所示。在外磁场H的作用下，当磁性自由层76的磁矩方向78与被钉扎层74的磁矩方向77平行时，TMR元件7的电阻值R最小，其电阻值为例如RL，称为TMR元件7处于低阻态；当磁性自由层76的磁矩方向78与被钉扎层74的磁矩方向77反平行时，TMR元件7的电阻值R最大，其电阻值为例如RH，称为TMR元件7处于高阻态。当介于高阻态与低阻态之间时，TMR元件7的电阻值R随着外磁场H的改变呈线性变化。介于高阻态与低阻态之间，TMR元件7的电阻值R呈线性变化的区间对应的外磁场H的范围(-Hs)—(+Hs)即TMR元件7的测量范围，其中的正号“+”和负号“-”仅表示外磁场H的方向。TMR元件7的测量范围的端值Hs，即TMR元件7的电阻值R呈线性变化的区间对应的外磁场H的最大值Hs定义为TMR元件7的量程。TMR元件7的电阻值R随外磁场H的变化曲线的斜率，即TMR元件7的电阻值R随外磁场H的变化率定义为TMR元件7的灵敏度。
在本实施例中，惠斯通电桥6的第一桥臂61与第二桥臂62的TMR元件7相同，第三桥臂63与第四桥臂64的TMR元件7相同。惠斯通电桥6的第一桥臂61与第二桥臂62的TMR元件7的被钉扎层74的磁矩方向77相同；其第三桥臂63与第四桥臂64的TMR元件7的被钉扎层74的磁矩方向77相同。惠斯通电桥6的各个桥臂的TMR元件7的电阻值R随外磁场H的变化导致各个桥臂的电阻值变化，各个桥臂的电阻值变化进而导致惠斯通电桥6的第一输出端Out1与第二输出端Out2之间的输出电压变化。根据惠斯通电桥6的输出电压即可获得外磁场H的大小和方向。
使用所述TMR电流传感器测量待测电流时，将待测电流导线穿过绝缘环3内，当待测电流通过待测电流导线时，待测电流将产生磁场，芯片1的惠斯通电桥6通过检测待测电流产生的磁场大小即可获得待测电流的大小。
实施例二
本实施例提供的TMR电流传感器包括芯片1、印刷电路板2、绝缘环3和磁性屏蔽环4，如图5所示。在本实施例中，绝缘环3包括两个绝缘半环，即第一绝缘半环31和第二绝缘半环32，且第一绝缘半环31和第二绝缘半环32配合能够构成一个完整的绝缘环3；磁性屏蔽环4包括两个磁性屏蔽半环，即第一磁性屏蔽半环41和第二磁性屏蔽半环42，且第一磁性屏蔽半环41和第二磁性屏蔽半环42配合能够构成一个完整的磁性屏蔽环4。绝缘环3设于磁性屏蔽环4内。绝缘环3的内空间供待测电流导线穿过，用于使待测电流导线与所述TMR电流传感器之间电绝缘。芯片1封装在印刷电路板2上。芯片1和印刷电路板2设于磁性屏蔽环4内，且位于绝缘环3与磁性屏蔽环4之间。磁性屏蔽环4用于屏蔽外磁场对所述TMR电流传感器的干扰，从而提高所述TMR电流传感器的测量精度。印刷电路板2上设有多个引脚5。惠斯通电桥6的输入端和输出端与所述引脚5电连接。
本实施例的芯片1的惠斯通电桥6与实施例一大致相同。本实施例的惠斯通电桥6的每一个桥臂的TMR元件7相同；而实施例一中，惠斯通电桥6的第一桥臂61与第二桥臂62的TMR元件7相同，第三桥臂63与第四桥臂64的TMR元件7相同；除了这一区别外，本实施例的惠斯通电桥6的其它方面均和实施例一相同。
本实施例的TMR电流传感器的工作原理和使用方法与实施例一相同。
与实施例一的TMR电流传感器相比，本实施例的TMR电流传感器的优点是便于安装。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种TMR电流传感器，其特征在于：该TMR电流传感器包括芯片(1)、印刷电路板(2)、绝缘环(3)和磁性屏蔽环(4)；
所述绝缘环(3)设于所述磁性屏蔽环(4)内，所述绝缘环(3)的内空间供待测电流导线穿过，所述芯片(1)封装在所述印刷电路板(2)上，所述芯片(1)和所述印刷电路板(2)设于所述磁性屏蔽环(4)内，且所述芯片(1)和所述印刷电路板(2)位于所述绝缘环(3)与所述磁性屏蔽环(4)之间；
所述芯片(1)的电路结构为惠斯通电桥(6)，所述惠斯通电桥(6)包括第一桥臂(61)、第二桥臂(62)、第三桥臂(63)和第四桥臂(64)，所述惠斯通电桥(6)的每一个桥臂包括至少一个TMR元件(7)，所述第一桥臂(61)与所述第二桥臂(62)的TMR元件(7)相同，且所述第三桥臂(63)与所述第四桥臂(64)的TMR元件(7)相同；
所述TMR元件(7)为多层膜结构，所述TMR元件(7)包括依次沉积在基片(71)上的绝缘层(72)、钉扎层(73)、被钉扎层(74)、隧道势垒层(75)和磁性自由层(76)，所述磁性自由层(76)为铁磁层，且所述磁性自由层(76)的磁矩方向(78)能够随外磁场的大小和方向的改变而变化，所述被钉扎层(74)为铁磁层或者由铁磁层、Ru层和铁磁层形成的复合层，所述被钉扎层(74)的磁矩方向(77)被所述钉扎层(73)钉扎在一个方向，且在数值大于或等于TMR元件(7)的量程且小于被钉扎层(74)的饱和磁化场的外磁场作用下所述被钉扎层(74)的磁矩方向(77)能够保持不变，所述钉扎层(73)为反铁磁层。
2.如权利要求1所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述绝缘环(3)包括第一绝缘半环(31)和第二绝缘半环(32)，且所述第一绝缘半环(31)和所述第二绝缘半环(32)配合能够构成一个完整的绝缘环（3）；所述磁性屏蔽环(4)包括第一磁性屏蔽半环(41)和第二磁性屏蔽半环(42)，且第一磁性屏蔽半环(41)和所述第二磁性屏蔽半环(42)配合能够构成一个完整的磁性屏蔽环(4)。
3.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述惠斯通电桥(6)的每一个桥臂的TMR元件(7)相同。
4.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述印刷电路板(2)上设有多个引脚(5)，所述惠斯通电桥(6)的输入端和输出端与所述引脚(5)电连接。
5.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：当所述惠斯通电桥(6)的每一个桥臂包括多个TMR元件(7)时，该多个TMR元件(7)串联和/或并联。
6.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述被钉扎层(74)和所述磁性自由层(76)的材质为Fe、Co、Ni、FeCo、FeNi、FeCoB或FeCoNi。
7.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述被钉扎层(74)为由FeCo层、Ru层和FeCo层形成的复合层。
8.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述钉扎层(73)的材质为PtMn、IrMn或FeMn。
9.如权利要求1或2所述的TMR电流传感器，其特征在于：所述隧道势垒层(75)的材质为MgO或Al2O3。
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