CN108267632A - 一种基于线圈偏置的amr线性传感器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，将AMR线性传感器的基本结构的惠斯通电桥重新布置，具体的，将上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，当被测试电流产生的磁感应强度|Hy|方向变化时，|导致磁敏薄膜内部磁矩方向与薄膜电流方向夹角发生改变，从而导致薄膜电阻发生变化，导致电桥输出一个电压值，根据这个电压值可以推算出被测电流的大小和方向，本发明能够降低制备工艺难度，增加AMR传感器的测量范围，既解决了霍尔传感器灵敏度低的问题，又解决了AMR传感器测量范围窄的问题，大大增加AMR传感器的应用领域和范围，具有良好的社会价值和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及线性电流传感器领域，具体为一种基于线圈偏置的AMR线性传感器及其设计方法，适用于无接触式测量大电流（0A到1000A）。
背景技术
电流传感器的主要作用是用来测量通电导线的电流，最简易的办法是直接测量通电电路中电阻两端的电压，推算出电路的电流大小，但是随着社会的进步发展，通电电路中的电流越来越大，已经不能够采用测量电阻两端电压的方法来推算电路中的电流，因为电流越大，电阻发热越厉害，具有高度的危险性，尤其是测量新能源汽车供电电流、充电桩功电流点等大电流的场所，这种方法已经逐渐被弃之不用，取而代之的是采用测量通电直导线产生的磁感应强度的大小，推算出电流的大小，主要有霍尔传感器、TMR传感器、AMR传感器，霍尔传感器具有超宽的测量范围，能够测量较大电流（1000A以上），但是由于霍尔传感器灵敏度较低，对于较低电流（500A以下），测量精度不够大，所以逐渐出现了以TMR和AMR效应为基础的线性电流传感器。而TMR传感器虽然精度较高，但是由于工艺复杂，制造成本较高，与霍尔传感器在价格上没有优势，在一般情况下，竞争优势不明显。而基于AMR效应的电流传感器具有灵敏度高、工艺相对简单、制造成本较低的优势，已经开始引起科研人员的足够重视，多家公司已经开发出AMR电流传感器，极大的提升了电流传感器的性价比。现阶段AMR传感器主要是采用Barber电极来产生一个等效偏置场，并使电流相对于易磁化轴偏移45°角（附图1），从而产生线性输出，这种方法能够测量的磁感应强度范围大概在±20Gauss之间，对应的电流大约为±50A之间，主要跟坡莫合金的饱和磁化强度相关，并且测量范围越大，灵敏度越低。
各向异性磁阻（AMR）传感器 某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。
1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应；对于有各向异性特性的强磁性金属， 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的；我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。
当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时， 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候， 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低，我们对这种特性称为各向异性磁电阻效应（AnisotropicMagnetoresistive Sensor，简称AMR）。
薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系；当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥；其中供电电源为Vb，电流流经电阻；当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加；而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线圈偏置的AMR线性传感器及其设计方法，降低工艺难度，增加传感器磁场测试范围，扩大基于AMR效应电流传感器的应用范围，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，将AMR线性传感器的基本结构的惠斯通电桥重新布置，具体的，将上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，当线圈通电后，会在电桥左右两边产生大小相等，方向相反的水平方向的磁场，且磁感应强度与线圈电流成正比；此时|H1|=|H2|=Hx，当被测试电流产生的磁感应强度|Hy|方向变化时，|H1和|H2|两个磁场产生的和磁场方向会逐渐发生变化，导致磁敏薄膜内部磁矩方向与薄膜电流方向夹角发生改变，从而导致薄膜电阻发生变化，导致电桥输出一个电压值，根据这个电压值可以推算出被测电流的大小和方向。
优选的，具体推到实现过程为：当被测量磁场为零时，四个电桥的电阻相等，可以认为R1=R2=R3=R4=R，此时电桥输出VOUT=VOUT+-VOUT-=0V；当被测磁场方向向上时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，这个方向会随着被测磁场Hy的磁场大小增大而慢慢变化，导致四个电桥中电流和磁矩的夹角发生变化，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R+ΔR，R2= R-ΔR，R3= R-ΔR，R4= R+ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=-ΔR/R，这个值为负值；当被测磁场方向向下时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R-ΔR，R2= R+ΔR，R3= R+ΔR，R4= R-ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=ΔR/R，这个值为正值；则VOUT可以随外磁场的变化有不同的输出。
优选的，采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测量磁场方向相垂直。
一种基于线圈偏置的AMR线性传感器，包括AMR线性传感器中的惠斯通电桥，将AMR线性传感器中的惠斯通电桥上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测电流产生的被测磁场方向相垂直。
本发明的有益效果是：在保证现用产品性能的基础上，本发明能够降低制备工艺难度，增加AMR传感器的测量范围，既解决了霍尔传感器灵敏度低的问题，又解决了AMR传感器测量范围窄的问题，大大增加AMR传感器的应用领域和范围，具有良好的社会价值和经济效益。
附图说明
图1为现有AMR电流传感器的原理示意图；
图2为本发明的AMR线性传感器中的惠斯通电桥；
图3位本发明的结构示意图一；
图4为本发明中各电桥电阻R的变化与磁矩和电流的夹角关系示意图；
图5为本发明中AMR线性传感器输出电压VOUT与被测磁场的变化示意图；
图6本发明的结构示意图二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，将AMR线性传感器的基本结构的惠斯通电桥重新布置，具体的，将上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，当线圈通电后，会在电桥左右两边产生大小相等，方向相反的水平方向的磁场，且磁感应强度与线圈电流成正比；此时|H1|=|H2|=Hx，当被测试电流产生的磁感应强度|Hy|方向变化时，|H1和|H2|两个磁场产生的和磁场方向会逐渐发生变化，导致磁敏薄膜内部磁矩方向与薄膜电流方向夹角发生改变，从而导致薄膜电阻发生变化，导致电桥输出一个电压值，根据这个电压值可以推算出被测电流的大小和方向。
其中具体推到实现过程为：当被测量磁场为零时，四个电桥的电阻相等，可以认为R1=R2=R3=R4=R，此时电桥输出VOUT=VOUT+-VOUT-=0V；当被测磁场方向向上时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，这个方向会随着被测磁场Hy的磁场大小增大而慢慢变化，导致四个电桥中电流和磁矩的夹角发生变化，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R+ΔR，R2= R-ΔR，R3= R-ΔR，R4= R+ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=-ΔR/R，这个值为负值；当被测磁场方向向下时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R-ΔR，R2= R+ΔR，R3= R+ΔR，R4= R-ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=ΔR/R，这个值为正值；则VOUT可以随外磁场的变化有不同的输出；采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测量磁场方向相垂直。
根据上述方法所形成的一种基于线圈偏置的AMR线性传感器，包括AMR线性传感器中的惠斯通电桥，将AMR线性传感器中的惠斯通电桥上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测电流产生的被测磁场方向相垂直。
在不使用Barber电极作为偏置的情况下，还可以通过外加偏置磁场的方式来解决这个问题，在具体使用的过程中，需要在与被测量磁场方向相垂直的方向外加一个偏置磁场，偏置磁场的方向可以从左往右，也可以从右往左，在设计电桥结构时，只需要改变四个电桥的排布方向，如图6所示，其原理和上述一致。
本实施最大的特点是：
1、将四个电桥分别设计成线条与X轴正方向成45°角及135°角结构，具体的排布按照不同的偏置方式不同，如附图2和附图6所示，且四个电桥的方向可以以附图2和附图6为基础左右互换或者上下互换，输入和输出也可以互换，不影响传感器的线性输出，只需要在制备器件时规定一个测量磁场的正反向。线条的宽度及长度可以根据需要随机调节。
2、采用内置线圈偏置或者外置磁场偏置，可以根据不同的应用场所调节偏置磁场大小，从而获取更加适宜的测量范围。
3、采用内置线圈偏置或者外置偏置时需要事先生长一层氮化硅惰性层，保护磁敏薄膜。
4、外置磁场偏置可以是永磁体偏置，也可以是线圈偏置。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，其特征在于：将AMR线性传感器的基本结构的惠斯通电桥重新布置，具体的，将上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，当线圈通电后，会在电桥左右两边产生大小相等，方向相反的水平方向的磁场，且磁感应强度与线圈电流成正比；此时|H1|=|H2|=Hx，当被测试电流产生的磁感应强度|Hy|方向变化时，|H1和|H2|两个磁场产生的和磁场方向会逐渐发生变化，导致磁敏薄膜内部磁矩方向与薄膜电流方向夹角发生改变，从而导致薄膜电阻发生变化，导致电桥输出一个电压值，根据这个电压值可以推算出被测电流的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，其特征在于：具体推到实现过程为：当被测量磁场为零时，四个电桥的电阻相等，可以认为R1=R2=R3=R4=R，此时电桥输出VOUT=VOUT+-VOUT-=0V；当被测磁场方向向上时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，这个方向会随着被测磁场Hy的磁场大小增大而慢慢变化，导致四个电桥中电流和磁矩的夹角发生变化，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R+ΔR，R2= R-ΔR，R3= R-ΔR，R4= R+ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=-ΔR/R，这个值为负值；当被测磁场方向向下时，并且|Hy|≤|Hx|时，薄膜内的磁矩方向会与被测磁场和线圈偏置磁场的矢量和方向一致，四个电桥的电阻随被测磁场的大小变化而变化，假设这个变化值的绝对值为ΔR，则R1=R-ΔR，R2= R+ΔR，R3= R+ΔR，R4= R-ΔR，则VOUT=（R3/(R1+R3)）/（R4/(R2+R4)）=ΔR/R，这个值为正值；则VOUT可以随外磁场的变化有不同的输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于线圈偏置的AMR线性传感器的设计方法，其特征在于：采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测量磁场方向相垂直。
4.一种基于线圈偏置的AMR线性传感器，包括AMR线性传感器中的惠斯通电桥，其特征在于：将AMR线性传感器中的惠斯通电桥上两组桥线按照与水平方向成45°角或135°角设计，下面两组电桥与上面两组电桥对称设置，将磁敏薄膜覆盖在AMR线性传感器上并定形，并在磁敏薄膜上先生长一层氮化硅保护层，然后再在上面生长一层A1电极并光刻出图形，采用Barber电极、永磁体偏置或线圈偏置作为AMR线性传感器的偏置，该偏置电极方向是与被测电流产生的被测磁场方向相垂直。
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