CN115166334A - 电流传感器和电流传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电流传感器，包括磁阻元件、第一电极、第二电极和聚磁膜；第一电极和第二电极设置在磁阻元件相对的两侧，聚磁膜包括第一膜层、第二膜层和连接部，第一膜层设置在第一电极远离磁阻元件的一侧，第二膜层设置在第二电极远离磁阻元件的一侧，连接部沿第一电极和第二电极的相对方向在磁阻元件一侧连接第一膜层和第二膜层以使聚磁膜形成聚磁环。整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。本申请还提供一种电流传感器的制备方法。

Description

电流传感器和电流传感器的制备方法

技术领域

本申请涉及电流传感器技术领域，更具体而言，涉及一种电流传感器和电流传感器的制备方法。

背景技术

请参阅图1，目前利用开环原理的电流传感器需要磁芯结构，该磁芯结构体积大，因此需要的金属成本高，同时，测量电流的精度不准且磁芯结构与磁阻元件未集成，灵敏度低。

发明内容

本申请提供了一种电流传感器和电流传感器的制备方法。

本申请实施方式提供一种电流传感器，包括磁阻元件、第一电极、第二电极和聚磁膜；

所述第一电极和所述第二电极设置在所述磁阻元件相对的两侧，所述聚磁膜包括第一膜层、第二膜层和连接部，所述第一膜层设置在所述第一电极远离所述磁阻元件的一侧，所述第二膜层设置在所述第二电极远离所述磁阻元件的一侧，所述连接部沿所述第一电极和所述第二电极的相对方向在所述磁阻元件一侧连接所述第一膜层和所述第二膜层以使所述聚磁膜形成聚磁环。

如此，将聚磁膜制备成聚磁环结构后与磁阻元件紧靠集成，聚磁膜将电流导线产生的感应磁场收集并放大给磁阻元件，磁阻元件接收聚磁膜放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极和第二电极的导线发送给集成电路从而测量出电流大小，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。

在某些实施方式中，所述第一膜层和所述磁阻元件的距离为0.5mm-2mm，所述第二膜层和所述磁阻元件的距离为0.5mm-2mm。

如此，第一膜层和第二膜层分别与磁阻元件间隔0.5mm-2mm，以便聚磁膜将磁场发送给磁阻元件。

在某些实施方式中，所述磁阻元件为桥式结构。

如此，磁阻元件可以构成桥式结构电路，从而测量电流大小。

在某些实施方式中，所述磁阻元件包括依次层叠设置的铁磁参考层、隧穿层和自由层。

如此，磁阻元件依次层叠设置的铁磁参考层、隧穿层和自由层，穿髓电阻大小随两边的铁磁材料相对方向的变化而变化，从而实现磁阻效应。

在某实施方式中，所述电流传感器包括衬底，所述衬底位于所述第一膜层远离所述磁阻元件的一侧。

如此，衬底位于第一膜层远离磁阻元件的一侧，从而起到支撑第一膜层的作用。

在某些实施方式中，所述电流传感器包括电流导线，所述电流导线位于所述连接部远离所述磁阻元件的一侧。

如此，电流导线可以位于连接部远离磁阻元件的一侧。

在某些实施方式中，所述电流传感器包括电流导线，所述电流导线位于所述连接部和所述磁阻元件之间。

如此，电流导线可以位于连接部和磁阻元件之间。

在某些实施方式中，所述电流导线与所述连接部的距离为预设距离。

如此，电流导线与连接部的距离可以为预设距离。

本申请还提供一种电流传感器的制作方法，包括：

在衬底上形成聚磁膜的第一膜层；

在所述第一膜层上形成第一电极；

在所述第一电极上形成所述磁阻元件；

在所述磁阻元件上形成第二电极，在所述第二电极上形成所述聚磁层的第二膜层，沿所述第一电极和所述第二电极的相对方向在所述磁阻元件一侧连接所述第一膜层和所述第二膜层以使所述聚磁膜形成聚磁环。

如此，按照本申请的制作方法，可以制作出具有聚磁环结构的聚磁膜的电流传感器。通过在第一电极上依此形成铁磁参考层、隧穿层和自由层，可以在第一电极上制作成磁阻元件。将聚磁膜制备成聚磁环结构后与磁阻元件紧靠集成，聚磁膜将电流导线生产的感应磁场收集并放大给磁阻元件，磁阻元件接收聚磁膜放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极和第二电极的导线发送给集成电路从而测量出电流大小，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。

在某些实施方式中，在第一电极上形成磁阻元件，包括：

在所述第一电极上形成铁磁参考层；

在所述铁磁参考层上形成隧穿层；

在所述隧穿层上形成自由层。

如此，通过在第一电极上依此形成铁磁参考层、隧穿层和自由层，可以在第一电极上制作成磁阻元件。

电流传感器和电流传感器的制备方法可以制作出具有聚磁环结构的聚磁膜的电流传感器。通过在第一电极上依此形成铁磁参考层、隧穿层和自由层，可以在第一电极上制作成磁阻元件。将聚磁膜制备成聚磁环结构后与磁阻元件紧靠集成，聚磁膜将电流导线生产的感应磁场收集并放大给磁阻元件，磁阻元件接收聚磁膜放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极和第二电极的导线发送给集成电路从而测量出电流大小，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。

本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是具有磁芯结构的电流传感器的场景示意图；

图2是本申请某些实施方式的电流传感器的结构示意图之一；

图3是本申请某些实施方式的半桥式电路示意图；

图4是本申请某些实施方式的全桥式电路示意图；

图5是本申请某些实施方式的电流传感器的结构示意图之二；

图6是本申请某些实施方式的使用电流传感器的场景示意图；

图7是本申请某些实施方式的使用电流传感器的场景示意图；

图8是本申请某些实施方式的电流传感器的制作方法的流程示意图；

图9是本申请某些实施方式的电流传感器的制作方法的场景示意图；

图10是本申请某些实施方式的电流传感器的制作方法的场景示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的实施方式的限制。需要特别注意的，本申请中涉及到的“上”、“下”、“左”和“右”是基于同一视图下的方位描述词，用于描述在同一视图的状况下，各部件的相对位置，也即是，在某一视图中的“上”，在另一视图中，可能为“下”、“左”和“右”，依此类推。

请参阅图2，本申请实施方式提供一种电流传感器100，电流传感器100包括磁阻元件110、第一电极120、第二电极130和聚磁膜140。第一电极120设置在磁阻元件110的一侧，第二电极130设置在磁阻元件110的另一侧。更具体地，聚磁膜140包括第一层膜141、第二层膜142和连接部143。第一层膜141设置在远离第一电极120底侧的位置上，第二层膜142设置在远离第二电极130顶侧的位置上，连接部143沿第一电极120和第二电极130的相对方向在磁阻元件110某一侧连接第一膜层141142和第二膜层142，从而使聚磁膜140形成聚磁环，聚磁环与磁阻元件之间具有间隙。其中，聚磁环为开环环状结构。

聚磁膜140是一种磁电薄膜，具有强磁耦合的薄膜材料，具有导磁作用，能够放大被测的磁场。可以理解地，采用聚磁膜140作为传感器的导磁部分，相比使用磁芯作为导磁部分，能够大幅降低电流传感器100的重量和体积，提高电流传感器100的精度和线性度，从而提高响应频率，降低成本和功耗。

聚磁膜140用于将电流导线160生产的感应磁场收集并放大给磁阻元件110，磁阻元件110接收聚磁膜140放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极120和第二电极130的导线发送给集成电路从而测量出电流大小。磁阻元件110和集成电路封装在一个独立的封装体内，从而构成电流传感器100芯片。集成电路用于接收磁阻元件110发送的电信号后计算出电流大小。磁阻元件110可以选择各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto Resistance，AMR)磁场传感器、巨磁阻(Giant MagnetoResistive，GMR)磁场传感器、穿隧磁电阻((Tunnel Magneto Resistance，TMR)磁场传感器和聚磁阻抗(Giant Magneto-impedance，GMI)传感器。

将聚磁膜140制备聚磁环，也即制备成开环环状结构，开环环状结构的上部，也即第二膜层142紧靠磁阻元件110的上侧，开环环状结构的下部，也即第一膜层141紧靠磁阻元件110的下侧，开环环状结构的连接上部和下部的位置，也即连接部143连接着第一膜层141和第二膜层142，从而使聚磁膜140制备成开环环状结构后，与磁阻元件110紧靠集成，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁膜结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。

如此，将聚磁膜140制备成聚磁环结构后与磁阻元件110紧靠集成，聚磁膜140将电流导线160生产的感应磁场收集并放大给磁阻元件110，磁阻元件110接收聚磁膜140放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极120和第二电极130的导线发送给集成电路从而测量出电流大小，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，灵敏度高以及温度稳定性好。

在某些实施方式中，第一膜层141和磁阻元件110的距离为0.5mm-2mm，例如0.5mm、1mm、1.7mm和2mm，第二膜层142和磁阻元件110的距离为0.5mm-2mm，例如0.5mm、1mm、1.7mm和2mm。

可以理解地，聚磁膜140的第一膜层141和第二膜层142是紧靠磁阻元件110，因此第一膜层141和第二膜层142与磁阻元件110的距离可以设置在0.5mm至2mm之间。

如此，第一膜层141和第二膜层142分别与磁阻元件110间隔0.5mm-2mm，以便聚磁膜140将磁场发送给磁阻元件110。

在某些实施方式中，磁阻元件110可以为桥式结构。

请参阅图3，在一个示例中，磁阻元件110可以构成半桥式结构电路，该电路包括2个磁阻元件110和电器端子。第一个磁阻元件110a一端与电压输入电极端子电连接、另一端与电压输出电极端子电连接，第二个磁阻元件110b一端与电压输入电极端子电连接、另一端与电压输出电极端子电连接。半桥式结构电路位于电流导线160的某一侧，两个磁阻元件110的电阻值不同，接收的磁场发生变化后，可以输出随接收到的磁场变化而发生变化的电压给集成电路从而测量出电流大小。

请参阅图4，在另一个示例中，在一个示例中，磁阻元件110可以构成全桥式结构电路，该电路包括4个磁阻元件110和电器端子。第一个磁阻元件110c、第二个磁阻元件110d和第三磁阻元件110e的一端电连接、第二个磁阻元件110d和第三个磁阻元件110e均与第四个磁阻元件110f电连接。第一个磁阻元件110c与第二个磁阻元件110d的相连接的一端与电压输出端子电连接，第三个磁阻元件110e与第四个磁阻元件110f相连的一端与电压输出端子电连接，第二个磁阻元件110d和第四个磁阻元件110f相连接的一端与电压输入端子电连接，第一个磁阻元件110c和第四个磁阻元件110f相连接的一端与电压输入端子电连接全桥式结构电路位于电流导线160的某一侧，四个磁阻元件110的电阻值不同，接收的磁场发生变化后，可以输出随接收的磁场变化而发生变化的电压给集成电路从而测量出电流大小。

如此，磁阻元件110可以构成桥式结构电路，从而测量电流大小。

请参阅图5，在某些实施方式中，磁阻元件110依次层叠设置的铁磁参考层111、隧穿层112和自由层113。

具体地，铁磁参考层111设置在第一电极120上，隧穿层112设置在铁磁参考层111上，自由层113设置在隧穿层112之上，这三层形成磁阻元件110的传感层。自由层113有高磁导率的材料构成，例如包括钴铁硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)、或CoFeB与镍铁(NiFe)形成的复合层、或CoFe与NiFe形成的复合层、或CoFeB、钽(Ta)与NiFe形成的复合层、CoFe、Ta与NiFe形成的复合层等，磁化强度的方向随着接收到的磁场大小和方向变化。隧穿层112由非磁性氧化物构成，例如氧化镁(MgO)和氧化铝(Al₂O₃)等，当发生电势差时，会发生隧穿。铁磁参考层111，由铁磁性物构成，其磁化方向在交换作用下被固定。穿髓电阻大小随两边的铁磁材料相对方向的变化而变化。

如此，磁阻元件110依次层叠设置的铁磁参考层111、隧穿层112和自由层113，穿髓电阻大小随两边的铁磁材料相对方向的变化而变化，从而实现磁阻效应。

在某些实施方式中，请再参阅图5，电流传感器100还包括衬底150，衬底150位于第一膜层141远离磁阻元件110的一侧。

具体地，衬底150用于支撑和改善薄膜特性，因此，在第一膜层141下侧设置衬底150，可以起到支撑第一膜层141的作用。

如此，衬底150位于第一膜层141远离磁阻元件110的一侧，从而起到支撑第一膜层141的作用。

在某些实施方式中，请参阅图6，电流传感器100包括电流导线160，电流导线160位于连接部143远离磁阻元件110的一侧。

具体地，连接部143一侧设有磁阻元件110，另一侧设有电流导线160。电流从电流导线160流过，产生磁场，由第一膜层141、第二膜层142和连接部143形成的开环环状结构，收集并放大磁场给电阻元件。

如此，电流导线160可以位于连接部143远离磁阻元件110的一侧。

在某些实施方式中，请参阅图7，电流传感器100包括电流导线160，电流导线160还可以位于连接部143和磁阻元件110之间，电流从电流导线160流过，产生磁场，由第一膜层141、第二膜层142和连接部143形成的开环环状结构，收集并放大磁场给电阻元件。

如此，电流导线160可以位于连接部143和磁阻元件110之间。

在某些实施方式中，请再参阅图6，电流导线160与连接部143的距离为预设距离。

具体地，电流传感器100测量电流的精度与产生磁场的电流导线160的距离有关。由于聚磁膜140的连接部143可以接收磁场，当电流导线160与连接部143的距离为预设距离时，可以确定相应的精度，即可以根据电流传感器100的精度需求设置电流导线160和连接部143的距离。例如，预设距离可以设定在1mm时，电流传感器100的测量精度可以达到0.05A，具体的推演结果如下所示。

单根电流导线160产生的磁场在距离电流导线160r处产生的磁场强度由以下公式计算得出，

其中，μ₀为常数，真空下的μ₀＝4π×10^-7。

空气中的裸导线产生的磁场在距离电流导线160r处产生的磁场强度可以用以下公式计算：

空气中的裸导线产生的磁场在距离电流导线160r为1mm时，B＝0.2×I(mT)，如果磁阻的实际分辨率可以到达0.01mT，测试电流的精度可以到达0.05A。

如此，电流导线160与连接部的距离可以为预设距离。

请参阅图8，本申请还提供一种电流传感器100的制作方法，包括以下步骤：

01：在衬底150上形成聚磁膜140的第一膜层141；

02：在第一膜层141上形成第一电极120；

03：在第一电极120上形成磁阻元件110；

04：在磁阻元件110上形成第二电极130，在第二电极130上形成聚磁层的第二膜层142，沿第一电极120和第二电极130的相对方向在磁阻元件110一侧连接第一膜层141和第二膜层142以使聚磁膜140形成聚磁环。

请参阅图9，具体的，在制备电流传感器100时，可以按照以下的顺序依次制备电流传感器100的各层，可以采用真空镀膜的工艺制备方式。

首先，在衬底150上形成聚磁膜140的第一膜层141，然后在第一膜层141上形成第一电极120，再然后在第一电极120上形成磁阻元件110，接着在磁阻元件110上形成第二电极130，最后在第二电极130上形成聚磁层的第二膜层142，沿第一电极120和第二电极130的相对方向在磁阻元件110一侧连接第一膜层141和第二膜层142以使聚磁膜140形成聚磁环，其中聚磁环是开环环状结构。

需要注意的是，制备流程示意图展现的是电流传感器100的某一个截面图，其中，第一电极120是连续的整体，但是在某个视图下，看到的是裸露出的部分，例如第一电极120可以看到有第三部分(图中未画出)，其中，第一电极120左端部分(图中未画出)可以相对聚磁膜140露出以用于接引线。同理，第二电极130是连续的整体，但是在某个视图下，看到的是裸露出的部分，例如第二电极130可以看到有两部分(图中未画出)，其中，第二电极130最右端部分(图中未画出)可以相对第二膜层142露出以用于接引线。

如此，按照本申请的制作方法，可以制作出具有聚磁环结构的聚磁膜140的电流传感器100。通过在第一电极120上依此形成铁磁参考层111、隧穿层112和自由层113，可以在第一电极120上制作成磁阻元件110。将聚磁膜140制备成聚磁环结构后与磁阻元件110紧靠集成，聚磁膜140将电流导线160生产的感应磁场收集并放大给磁阻元件110，磁阻元件110接收聚磁膜140放大的磁场后，利用磁场变化引起的磁阻变化的原理，将磁信号转化为电信号，通过第一电极120和第二电极130的导线发送给集成电路从而测量出电流大小，整体结构紧凑，相比磁芯结构，聚磁环结构能够避免漏磁现象，工艺简单，抗干扰性强，以及温度稳定性好。

请参阅图10，在某些实施方式中，步骤03包括：

030：在第一电极120上形成铁磁参考层111；

031：在铁磁参考层111上形成隧穿层112；

032：在隧穿层112上形成自由层113。

请再参阅图9，具体地，在第一电极120上形成磁阻元件110的过程中，按照以下顺序制备。

首先，在第一电极120上形成铁磁参考层111，然后在铁磁参考层111上形成隧穿层112，最后在隧穿层112上形成自由层113。

如此，通过在第一电极120上依此形成铁磁参考层111、隧穿层112和自由层113，可以在第一电极120上制作成磁阻元件110。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个例子中”、“示例地”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括磁阻元件、第一电极、第二电极和聚磁膜；

所述第一电极和所述第二电极设置在所述磁阻元件相对的两侧，所述聚磁膜包括第一膜层、第二膜层和连接部，所述第一膜层设置在所述第一电极远离所述磁阻元件的一侧，所述第二膜层设置在所述第二电极远离所述磁阻元件的一侧，所述连接部沿所述第一电极和所述第二电极的相对方向在所述磁阻元件一侧连接所述第一膜层和所述第二膜层以使所述聚磁膜形成聚磁环。

2.根据权利要求1的电流传感器，其特征在于，所述第一膜层和所述磁阻元件的距离为0.5mm-2mm，所述第二膜层和所述磁阻元件的距离为0.5mm-2mm。

3.根据权利要求1的电流传感器，其特征在于，所述磁阻元件为桥式结构。

4.根据权利要求1的电流传感器，其特征在于，所述磁阻元件包括依次层叠设置的铁磁参考层、隧穿层和自由层。

5.根据权利要求1的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括衬底，所述衬底位于所述第一膜层远离所述磁阻元件的一侧。

6.根据权利要求4的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括电流导线，所述电流导线位于所述连接部远离所述磁阻元件的一侧。

7.根据权利要求4的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器包括电流导线，所述电流导线位于所述连接部和所述磁阻元件之间。

8.根据权利要求6或7的电流传感器，其特征在于，所述电流导线与所述连接部的距离为预设距离。

9.一种电流传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成聚磁膜的第一膜层；

在所述第一膜层上形成第一电极；

在所述第一电极上形成所述磁阻元件；

在所述磁阻元件上形成第二电极，在所述第二电极上形成所述聚磁层的第二膜层，沿所述第一电极和所述第二电极的相对方向在所述磁阻元件一侧连接所述第一膜层和所述第二膜层以使所述聚磁膜形成聚磁环。

10.根据权利要求9的制作方法，其特征在于，在第一电极上形成磁阻元件，包括：

在所述第一电极上形成铁磁参考层；

在所述铁磁参考层上形成隧穿层；

在所述隧穿层上形成自由层。

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