CN212568937U - 一种磁传感芯片及闭环反馈电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁传感芯片及闭环反馈电流传感器，该闭环反馈电流传感器包括：外壳；设置于外壳内的磁传感芯片和信号处理电路，磁传感芯片包括由磁电阻元件组成的磁传感单元、设置于磁传感单元上方的反馈线圈，反馈线圈为由导电材料刻蚀而成的平面螺旋线结构，螺旋线平面和磁传感单元的敏感方向相垂直；信号处理电路包括磁平衡电路和电流采样电路，磁传感芯片通过输入端子与电源相连，通过输出端子与磁平衡电路相连；磁平衡电路与反馈线圈相连，向反馈线圈提供电流，使反馈线圈产生反馈磁场；电流采样电路与反馈线圈相连，采集反馈线圈的电流信号并输出。本实用新型将磁电阻元件和反馈线圈集成于磁传感芯片内，减小了闭环反馈电流传感器的体积和重量。

Description

一种磁传感芯片及闭环反馈电流传感器

技术领域

本实用新型属于传感测量技术领域，尤指涉及一种磁传感芯片及闭环反馈电流传感器。

背景技术

电流传感器有开环式传感器和闭环式传感器两大类型，开环式电流传感器是采用磁敏感元件来产生与被测电流成比例的模拟信号从而实现测量电流的目的。开环式电流传感器结构简单、过载能力强，但开环的方式导致线性度较差，影响了电流传感器的测量精度。

相比于开环式电流传感器，闭环反馈的电流传感器灵敏度更高、测量范围更广。闭环反馈电流传感器包括基于磁调制的闭环反馈电流传感器和基于磁传感器的闭环反馈电流传感器。

基于磁调制的闭环反馈电流传感器，其原理是先将被测电流的磁场信号通过调制电路搭载到自激产生的基波上，再由解调电路将搭载的基波去掉，剩余被测电流的磁场信号；信号处理电路通过判断被测电流的磁场信号，控制反馈线圈绕组产生的磁场大小，以达到电流传感器的磁平衡状态；当电流传感器处于磁平衡状态时，通过测量反馈线圈绕组中的电流即可计算出被测电流的大小。但基于磁调制的闭环反馈电流传感器通常只能用于测量较小的直流信号，应用场景有限。

基于磁传感器的闭环反馈电流传感器是采用磁传感器检测磁场，由信号处理电路依据磁传感器检测到的磁场来调节反馈线圈绕组的电流，使反馈磁场与被测电流磁场大小相等、方向相反，磁传感器附近的磁场达到平衡状态；当电流传感器处于磁平衡状态时，通过测量反馈线圈绕组中的电流即可计算出被测电流的大小。基于磁传感器的闭环反馈电流传感器能够测量交、直流信号，应用场景更广，而且电路结构相对基于磁调制闭环反馈电流传感器中的电路结构要更简单。但该类型的电流传感器要在磁环外绕制反馈线圈绕组，绕制反馈线圈绕组增加了电流传感器的体积和重量，无法满足微型化的应用需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种体积小、轻量化的磁传感芯片。

本实用新型的另一目的在于提供一种体积更小、更轻量化的闭环反馈电流传感器。

为了实现上述第一目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种磁传感芯片，包括：由磁电阻元件组成的磁传感单元、设置于所述磁传感单元上方的反馈线圈，所述反馈线圈为由导电材料刻蚀而成的平面螺旋线结构，所述反馈线圈的螺旋线平面和所述磁传感单元的敏感方向相垂直。

进一步的，所述磁电阻元件为TMR单元或GMR单元或AMR单元。

进一步的，还包括热敏电阻，所述热敏电阻位于磁电阻元件的电极层上，所述电极层为钌金属层或电极层中有钌金属，所述热敏电阻为钌电阻；所述磁电阻元件为TMR单元或GMR单元。

进一步的，所述磁电阻元件桥式连接形成全桥结构的磁传感单元。

为了实现上述第二目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种闭环反馈电流传感器，包括：外壳；设置于所述外壳内的磁传感芯片，所述磁传感芯片为前述磁传感芯片；设置于所述外壳内的信号处理电路，所述信号处理电路包括磁平衡电路和电流采样电路，所述磁传感芯片通过输入端子与电源相连，通过输出端子与所述磁平衡电路相连；所述磁平衡电路与所述反馈线圈相连，向所述反馈线圈提供电流，使反馈线圈产生反馈磁场；所述电流采样电路与所述反馈线圈相连，采集所述反馈线圈的电流信号并输出。

进一步的，所述信号处理电路还包括第一模数转换器、数模转换器、第二模数转换器以及微控制处理器；所述微控制处理器通过所述第一模数转换器与所述磁传感单元相连，通过所述数模转换器与所述磁平衡电路相连，通过所述第二模数转换器与所述电流采样电路相连。

进一步的，还包括与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出。

进一步的，还包括与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出；所述磁平衡电路包括依次连接的差分电压采样电路和推挽射极跟随器，所述差分电压采样电路与所述磁传感单元相连，所述推挽射极跟随器与所述反馈线圈相连；所述温度补偿电路包括依次连接的温度采样电路和加法比例电路，所述温度采样电路与所述热敏电阻相连，所述加法比例电路与所述温度采样电路的输出端及电流采样电路的输出端相连，并输出测量结果。

进一步的，还包括与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出；所述磁平衡电路包括与所述反馈线圈相连的推挽射极跟随器；所述温度补偿电路包括与所述热敏电阻相连的温度采样电路，所述微控制处理器通过所述数模转换器与所述推挽射极跟随器相连，通过第三模数转换器与所述温度采样电路相连。

由以上技术方案可知，本实用新型将磁电阻元件及反馈线圈集成于磁传感芯片内，而且反馈线圈为设在磁传感单元的上方的平面螺旋线结构，磁传感单元位于反馈线圈绕组的轴心线上，反馈线圈绕组可以在磁传感单元处产生更强的磁场，同时反馈线圈绕组为平面螺旋线结构，也有利于减小芯片的体积，降低加工的难度。本实用新型的磁电阻元件、反馈线圈与芯片外部的信号处理电路中的磁平衡环节共同构成闭环反馈电流传感器，由于反馈线圈集成在传感器芯片内部，不仅减小了闭环反馈电流传感器的体积和重量。

在优选的技术方案中，将热敏电阻集成在磁传感芯片内部，热敏电阻元件与芯片外部的温度补偿环节连接，构成温漂补偿电路，由于热敏电阻采集温度的区域与磁场检测的区域更加靠近，使得热敏元件反馈的温度信息更加准确，能更精确地反应检测区域的温度信息，从而对电流传感器做出更加精确的温漂补偿。而且采用钌电阻作为热敏元件，由于钌元素本身用于制备隧道结磁电阻元件，只需要在磁传感芯片中划分出温度检测区域，并与温度补偿电路相连即可，原有的磁传感芯片的制备工艺基本不变，也不用增加其它设备，有利于控制生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的电路框图；

图3为本实用新型实施例1磁传感芯片的结构示意图；

图4本实用新型实施例2的电路框图；

图5为本实用新型实施例1没有设置热敏元件和温度补偿电路时的电路框图；

图6为本实用新型实施例2没有设置热敏元件和温度补偿电路时的电路框图。

具体实施方式

为了让本实用新型的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本实用新型实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

实施例1

参照图1和图2，本实施例的闭环反馈电流传感器包括外壳10以及设置于外壳10内的磁传感芯片1和信号处理电路20，其中，信号处理电路包括磁平衡电路2、温度补偿电路3及电流采样电路4。本实施例在外壳10的中心具有一圆形开孔，被测导体21可穿过该开孔。磁传感芯片1和信号处理电路20分别设置于电路板上，磁传感芯片1(磁传感单元)的磁敏感方向垂直于被测导体21，信号处理电路20通过插针或导线与磁传感芯片1电连接。在其他的实施例中，外壳上也可以不设置开孔，本实施例在外壳中心设置开孔是为了方便安装和固定。

本实施例在磁传感芯片1内集成了反馈线圈及热敏电阻。磁传感芯片1包括由磁电阻元件组成的磁传感单元1-1以及反馈线圈1-2和热敏电阻1-3。磁传感单元1-1用于测量磁场；反馈线圈1-2用于产生反馈磁场，配合磁传感单元1-1实现电流传感器达到磁平衡状态；热敏电阻1-3用于测量温度，为温度补偿电路采集温度信息。本实施例的磁电阻元件为TMR单元，除了可以是TMR单元外，也可以是GMR或AMR等。

如图3所示，本实施例在磁传感芯片1的基片上采用磁控溅射技术沉积有4组磁电阻元件(5、6、7、8)，并设置有4个连接端子(12、13、15、16)。每组磁电阻元件的结构相同，均至少包括上电极层、下电极层、钉扎层、自由层和非磁层，非磁层位于钉扎层和自由层之间，上电极层和下电极层分别是磁电阻元件最外侧的两层。磁电阻元件中钉扎层的磁化方向不随外部磁场的变化而变化，自由层的磁化方向随外部磁场的变化而发生改变，磁电阻元件的阻值随着自由层磁化方向与钉扎层磁化方向间夹角的变化而变化，从而实现磁场的检测。磁电阻元件桥式连接形成全桥结构的磁传感单元1-1，向外输出差分电压信号，磁电阻元件位于全桥结构的桥臂上。每个连接端子分别与相邻的两个桥臂相连。4个连接端子中，一对连接端子(13、15)为输入端子，外部电源通过输入端子为磁传感芯片1提供压降，使全桥电路处于工作状态，另一对连接端子(12、16)为输出端子，磁传感芯片1通过输出端子输出与磁场相关的差分电压信号。

本实施例的热敏电阻为集成于磁传感芯片1基片上的钌电阻4，钌电阻4用于采集磁场检测区域的温度信息，钌电阻4通过接线端子(10、14)与温度补偿电路3相连。钌电阻4和磁电阻元件沉积于同一基片上，但分别位于基片(磁传感器芯片)上两个相互独立的区域。钌是制备隧道结磁电阻元件(TMR)的电极层、钉扎层的材料之一，由于钉扎层厚度较薄，不适合于制备热敏电阻，因此优选将钌电阻设置于电极层，和采用铂、铜、镍等材料制成的常规的热敏电阻相比，利用电极层形成热敏电阻，从而热敏电阻集成于磁传感芯片中，一方面，采集温度的区域与磁场检测的区域更加靠近，使得热敏元件反馈的温度信息更加准确，能更精确地反应检测区域的温度信息，使电流传感器温度补偿更加精准；另一方面，由于钌元素本身用于制备隧道结磁电阻元件，只需要在磁传感芯片中划分出独立的温度检测区域，并与温度补偿电路相连即可，原有的磁传感芯片的制备工艺基本不变，也不用增加其它设备，有利于控制生产成本和实现微型化设计。当磁电阻元件为GMR时，也可以制备材料中添加钌材料，从而将热敏电阻集成于芯片内。

反馈线圈1-2为采用MEMS工艺(Microfabrication Process)制备的均匀平面螺旋线结构，反馈线圈1-2由导电材料刻蚀而成。本实用新型的反馈线圈1-2为平面结构，和现有的绕在磁环上的反馈线圈绕组相比，减小了反馈线圈的体积。反馈线圈1-2设在磁电阻元件形成的全桥结构(磁传感单元1-1)的(正)上方。反馈线圈1-2的螺旋线平面和磁传感单元1-1的敏感方向相垂直(可通过改变TMR的材料或结构来改变磁传感单元的敏感方向)。反馈线圈1-2的两端通过接线端子(11、17)与磁平衡电路2及温度补偿电路3相连，磁平衡电路1-2输出的反馈电流通过接线端子流至反馈线圈1-2，使反馈线圈1-2处于工作状态，在线圈内部产生均匀磁场。反馈线圈1-2向温度补偿电路3输出电流信号。

如图2所示，磁传感芯片1中的磁传感单元1-1通过输出端子与磁平衡电路2相连，本实施例的磁平衡电路2包括依次连接的差分电压采样电路2-1和推挽射极跟随器2-2，差分电压采样电路2-1用于采集磁传感单元1-1输出的差分电压信号V_M。推挽射极跟随器2-2与反馈线圈1-2连接，其为反馈线圈1-2提供电流，使反馈线圈1-2产生反馈磁场H，使电流传感器达到磁平衡状态。推挽射极跟随器2-2根据差分电压信号产生输出至反馈线圈1-2的电流I_s。反馈线圈1-2通过电流采样电路4与温度补偿电路3相连，向温度补偿电路3输出电流信号。

本实施例的温度补偿电路3包括依次连接的温度采样电路3-1和加法比例电路3-2。其中，温度采样电路3-1与热敏电阻1-3(钌电阻)连接，输出与温度信息成比例的电压信号V_T。电流采样电路4与反馈线圈1-2连接，采集反馈线圈1-2的电流信号I_S，并将反馈线圈1-2中的电流信号I_S转换为电压信号V_S输出至温度补偿电路3。加法比例电路3-2与温度采样电路3-1的输出端及电流采样电路4的输出端相连，将温度采样的电压信号V_T与电流采样的电压信号V_S相加、放大，得到温度补偿后的电流传感器的输出信号V_o。

下面结合图1对本实施例的工作原理进行说明：

结合图1所示，电流传感器在进行测量时，将被测导体21穿过外壳10上的开孔，当被测导体21有电流通过时，被测导体21周围产生磁场H_P；磁传感芯片1检测到其所在位置处的磁场大小，并输出差分电压信号V_M；磁平衡电路2采集磁传感芯片1输出的差分电压信号V_M，并调整反馈线圈1-2的输入电流I_S；反馈线圈1-2在电流I_S的作用下，在线圈内部产生反馈磁场；当差分电压信号V_M为零时，被测导体21产生的磁场与反馈线圈绕组产生的磁场大小相等、方向相反，即反馈线圈绕组内部为零磁通。

本实施例的传感器芯片的制备方法如下：

提供基底；

在基底上沉积下电极层、钉扎层、非磁层和自由层，下电极层采用钌材料制备；

根据版图，刻蚀出磁电阻元件区域，和热敏电阻区域；

沉积上电极层，制备电气连接结构，包括与磁电阻元件和热敏电阻、反馈线圈相连的连接端子和接线端子，将磁电阻元件和热敏电阻实现电气互联；

沉积反馈线圈层，刻蚀出平面螺旋线结构的反馈线圈，将反馈线圈与接线端子连接；

封装芯片。

实施例2

本实施例和实施例1不同的地方在于：本实施例将信号处理电路中带有积分环节的电路替换为数字信号处理，以减小积分电路带来的温漂。本实施例的信号处理电路20包括第一模数转换器2-1、推挽射极跟随器2-2、数模转换器2-3、电流采样电路4、第二模数转换器2-5、温度采样电路2-6、第三模数转换器2-7以及微控制处理器2-8。其中，推挽射极跟随器2-2构成磁平衡电路，温度采样电路2-6构成温度补偿电路。第一模数转换器2-1与磁传感单元1-1相连，采集磁传感单元1-1输出的电压信号V_M，并将采集到的电压信号转换为数字信号发送给微控制处理器2-8。微控制处理器2-8对电压信号V_M进行处理后，通过与推挽射极跟随器2-2相连的数模转换器2-3向推挽射极跟随器2-2输出指令，推挽射极跟随器2-2与反馈线圈绕组1-2连接，并为反馈线圈绕组1-2提供电流，使反馈线圈绕组1-2产生反馈磁场，使电流传感器达到磁平衡状态。反馈线圈1-2与电流采样电路4相连，电流采样电路4将从反馈线圈1-2采集的电流信号I_S转换为电压信号V_S，并通过第二模数转换器2-5将电压信号V_S转换为数字信号后传输至微控制处理器2-8。温度采样电路2-6与热敏电阻1-3连接，温度采样电路2-6通过第三模数转换器2-7将采集到的电压信号V_T转换为数字信号后发送至微控制处理器2-8。微控制处理器2-8将温度采样的电压信号与电流采样的电压信号V_S进行处理后，得到温度补偿后的电流传感器的输出信号D。

本实用新型的磁平衡电路及温度补偿电路与使用普通热敏电阻进行温度补偿的电流传感器中的磁平衡电路及温度补偿电路相同，不是本实用新型的实用新型点，此处不做赘述。

在传感器中设置热敏元件及温度补偿电路可以提高传感器的测量精度，但热敏元件和对应的温度补偿电路不是必须的，如图5所示，图5为本实用新型实施例1没有设置热敏元件和温度补偿电路时的电路框图，图6为本实用新型实施例2没有设置热敏元件和温度补偿电路时的电路框图。在没有热敏元件和温度补偿电路的情况下，磁传感单元和反馈线圈在芯片内部形成闭环反馈，同样可以实现对被测导体电流的检测。

当传感器芯片中没有集成热敏电阻时，传感器芯片的制备方法如下：

提供基底；

在基底上沉积下电极层、钉扎层、非磁层和自由层；

根据版图，刻蚀出磁电阻元件区域；

沉积上电极层，制备电气连接结构，包括与磁电阻元件和反馈线圈相连的连接端子和接线端子，使磁电阻元件实现电气互联；

沉积反馈线圈层，刻蚀出平面螺旋线结构的反馈线圈，将反馈线圈与接线端子连接；

封装芯片。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.一种磁传感芯片，其特征在于，包括：由磁电阻元件组成的磁传感单元、设置于所述磁传感单元上方的反馈线圈，所述反馈线圈为由导电材料刻蚀而成的平面螺旋线结构，所述反馈线圈的螺旋线平面和所述磁传感单元的敏感方向相垂直。

2.如权利要求1所述的磁传感芯片，其特征在于：所述磁电阻元件为TMR单元或GMR单元或AMR单元。

3.如权利要求1所述的磁传感芯片，其特征在于：还包括热敏电阻，所述热敏电阻位于磁电阻元件的电极层上，所述电极层为钌金属层或电极层中有钌金属，所述热敏电阻为钌电阻；所述磁电阻元件为TMR单元或GMR单元。

4.如权利要求1所述的磁传感芯片，其特征在于：所述磁电阻元件桥式连接形成全桥结构的磁传感单元。

5.一种闭环反馈电流传感器，其特征在于，包括：

外壳；

设置于所述外壳内的磁传感芯片，所述磁传感芯片为权利要求1至4任一项所述的磁传感芯片；

设置于所述外壳内的信号处理电路，所述信号处理电路包括磁平衡电路和电流采样电路，所述磁传感芯片通过输入端子与电源相连，通过输出端子与所述磁平衡电路相连；所述磁平衡电路与所述反馈线圈相连，向所述反馈线圈提供电流，使反馈线圈产生反馈磁场；所述电流采样电路与所述反馈线圈相连，采集所述反馈线圈的电流信号并输出。

6.如权利要求5所述的闭环反馈电流传感器，其特征在于：所述信号处理电路还包括第一模数转换器、数模转换器、第二模数转换器以及微控制处理器；所述微控制处理器通过所述第一模数转换器与所述磁传感单元相连，通过所述数模转换器与所述磁平衡电路相连，通过所述第二模数转换器与所述电流采样电路相连。

7.如权利要求5或6所述的闭环反馈电流传感器，其特征在于：还包括热敏电阻以及与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出。

8.如权利要求5所述的闭环反馈电流传感器，其特征在于：还包括热敏电阻以及与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出；

所述磁平衡电路包括依次连接的差分电压采样电路和推挽射极跟随器，所述差分电压采样电路与所述磁传感单元相连，所述推挽射极跟随器与所述反馈线圈相连；

所述温度补偿电路包括依次连接的温度采样电路和加法比例电路，所述温度采样电路与所述热敏电阻相连，所述加法比例电路与所述温度采样电路的输出端及电流采样电路的输出端相连，并输出测量结果。

9.如权利要求6所述的闭环反馈电流传感器，其特征在于：还包括热敏电阻以及与所述热敏电阻相连的温度补偿电路；所述反馈线圈与所述温度补偿电路相连，向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述热敏电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出；

所述磁平衡电路包括与所述反馈线圈相连的推挽射极跟随器；所述温度补偿电路包括与所述热敏电阻相连的温度采样电路，所述微控制处理器通过所述数模转换器与所述推挽射极跟随器相连，通过第三模数转换器与所述温度采样电路相连。

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