Tmr電流傳感器的製作方法
2023-05-06 10:42:56 1
專利名稱：Tmr電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電流傳感器，尤其是一種利用隧道結磁阻效應原理(TMR)的電流傳感 器。
背景技術：
常用的電流測量裝置一般採用霍爾元件作為傳感器單元，通過被測電流產生的磁 場大小來實現對電流的測量。目前也有用各向異性磁阻元件(AMR)和巨磁阻元件(GRM)作 為傳感器單元，其原理同霍爾元件相同是通過被測電流產生的磁場大小來實現對電流的測 霍爾元件由於靈敏度低，通常採用鐵磁材料通過聚磁效應來提高精度。有開環型， 閉環型及點陣式霍爾電流產感器。開環型霍爾電流傳感器以鐵磁材料作為導磁體，而將霍 爾元件放置在導磁體的氣隙中。開環型霍爾電流傳感器往往精度不高，一般可達10-2級， 被測電流與互感器額定電流相比較小時，測量誤差會急劇增加，其主要原因是由於鐵磁材 料存在磁滯和損耗，當被測電流在較大範圍內變化時，氣隙間的磁感應強度與電流之間的 線性關係會發生一定變化，特別是較小電流時，這種偏差有為明顯。 閉環型電流傳感器採用霍爾元件或各向異性磁阻元件(AMR)，沿用了比較儀的零 磁通原理，在開環型霍爾電流傳感器的基礎上進行了一系列改進，首先是在帶氣隙的鐵磁 材料上均勻布置一個平衡繞阻，其次霍爾元件不再用以直接檢測電流的大小，而作為一個 剩餘磁通檢測單元，霍爾元件的輸出霍爾電勢控制驅動一定大小的電流通過平衡繞阻。穩 態下，平衡繞阻與被測電流保持良好的線性關係，比例係數為平衡繞阻的繞線砸數與被測 電流繞線砸數的比值，通過檢測平衡繞阻中的電流大小即可得到被測電流的大小。閉環型 電流傳感器穩定可靠，準確度可高達10-3級甚至更高，但是，平衡電路的驅動能力有限，制 作大電流閉環霍爾電流傳感器是比較困難且十分昂貴的。 點陣式霍爾電流傳感器由N個霍爾元件組成的陣列，採用一次載流導線為長直導 線的磁場分布模型，將N個霍爾元件按路徑均勻對稱分布在印刷電路板上，且每個霍爾元 件所在平面竄過路徑的中心軸。並將N個霍爾元件組成的陣列放於一個圓筒形的屏蔽筒 中。點陣式霍爾電流傳感器排出了鐵心的存在，從而克服了鐵磁材料給霍爾電流傳感器帶 來的諸如線性度變差，動態範圍小，體積重量增加，成本過高等方面的缺點。但是由於霍爾 元件本身的低靈敏度，其點陣式霍爾電流傳感器的精度不高。 採用巨磁阻元件(GRM)作為傳感器單元的電流傳感器，雖然測量精度相對於霍爾 電流傳感器有所提高，但是其受巨磁阻元件(GRM)的線性範圍小的約束，測量範圍小。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供三種TMR電流傳感器，分別是 晶片集成式TMR電流傳感器，PCB集成式TMR電流傳感器，分離式TMR電流傳感器，其性能 好，成本低。
按照本發明提供的技術方案，所述PCB集成式TMR電流傳感器包括由4個TMR元 件組成的惠斯通電橋晶片、一個印刷電路板，將一根電流導線集成在PCB電路板上，再將所 述晶片貼在帶有絕緣層的電流導線上；所述電流導線採用長直導線。 所述晶片集成式TMR電流傳感器包括由4個TMR元件組成的惠斯通電橋，所述惠 斯通電橋和一根電流導線集成在一個晶片內；所述電流導線採用長直導線。集成晶片內的 所述電流導線的路徑經過4個TMR元件的上面。所述4個TMR元件的被釘扎層的磁矩方向 相互平行。 所述分離式TMR電流傳感器包括由4個TMR元件組成的惠斯通電橋晶片，所述芯 片封裝在印刷電路板上，還包括一個絕緣環，該絕緣環內空間供被測電流導線穿過，所述絕 緣環封裝在磁性屏蔽環內，所述晶片和印刷電路板封裝在絕緣環和磁性屏蔽環之間；所述 電流導線採用長直導線。 所述絕緣環包括兩個絕緣半環，所述屏蔽環包括兩個磁性屏蔽半環，兩個絕緣半 環分別封裝在兩個磁性屏蔽半環內；所述晶片和印刷電路板封裝在其中一組絕緣半環和磁 性屏蔽半環之間。通過安裝孔將兩組絕緣半環和磁性屏蔽半環連接成整環。
本發明由於TMR元件的特性及傳感器設計的特性，具有線性度好，動態範圍寬，精 度高，溫度特性好，響應頻率高，體積小，重量輕，成本低等優點。
圖1是隧道結磁阻效應(TMR)工作原理及結構示意圖。 圖2是隧道結磁阻效應(TMR)組成的惠斯通電橋工作原理及結構示意圖。 圖3是PCB集成式TMR電流傳感器的結構示意圖。 圖4是晶片集成式TMR電流傳感器的結構示意圖。 圖5是分離式TMR電流傳感器的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了三種利用隧道結磁阻效應原理(TMR)的TMR電流傳感器，分別是芯 片集成式TMR電流傳感器，PCB集成式TMR電流傳感器，分離式TMR電流傳感器。隧道結磁 阻元件(TMR)相比霍爾元件，AMR和GMR元件，具有精度高，線性度好，動態範圍大，溫度特 性好，響應頻率高等特點。本發明提供的三種電流傳感器從根本上排出了聚磁效應得鐵心 的存在，從而克服了鐵磁材料給電流傳感器帶來的諸如線性度變差，動態範圍小，體積重量 增加，成本過高等方面的缺點，同時提高了電流傳感器的精度，測量範圍，溫度特性和響應 頻率，並降低了傳感器的成本。 所述PCB集成式TMR電流傳感器，包括一個由4個TMR組成的惠斯通電橋晶片，一 個印刷電路板(PCB)，一根電流導線，採用一次載流導線為長直導線的磁場分布模型，將電 流線集成在PCB電路板上，再將TMR晶片貼在帶有絕緣層的電流線上。當被測量電流通過 電流導線時產生磁場，通過TMR惠斯通電橋測量磁場的大小，進而測得電流的大小。
所述晶片集成式TMR電流傳感器是一個晶片，包括一個由4個TMR組成的惠斯通 電橋， 一根電流導線，採用一次載流導線為長直導線的磁場分布模型，將TMR組成的惠斯通 電橋與電流導線通過絕緣層集成在一個晶片內。當被測量電流通過電流導線時產生磁場，通過TMR惠斯通電橋測量磁場的大小，進而測得電流的大小。 所述分離式TMR電流傳感器，包括環狀的絕緣環，該絕緣環內空間供被測電流導 線穿過；一個由4個TMR組成的惠斯通電橋晶片；一個印刷電路板(PCB) ， TMR晶片封裝在 印刷電路板上；一個屏蔽環。分離式TMR電流傳感器也採用一次載流導線為長直導線的磁 場分布模型，將絕緣環封裝在屏蔽環內，TMR晶片和印刷電路板封裝在絕緣環和屏蔽環中 間。被測量電流導線穿過絕緣環內，當被測量電流通過電流導線時產生磁場，通過TMR惠斯 通電橋測量磁場的大小，進而測得電流的大小。
以下結合附圖，對本發明予以進一步地詳盡闡述。 如圖1(a)所示，隧道結磁阻效應(TMR)的結構由納米級多層膜組成釘扎層l，磁 性被釘扎層2，非磁性氧化物層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。磁 性自由層4的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩方 向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。
隧道結磁阻效應(TMR)的工作原理，隧道結TMR的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩 方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。當磁性自由層4的磁矩方 向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化時，隧道結TMR的磁阻也隨之變化。如圖 1 (b)所示，當外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時，同時外加磁場的強度大 於HI時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向平行，進而與磁性被釘扎層2的磁 矩方向5平行，如8所示，這時隧道結TMR的磁阻最小。當外加磁場7的方向與被釘扎層2 的磁矩方向5反平行時，同時外加磁場的強度大於H2時，磁性自由層4的磁矩方向與外加 磁場7的方向反平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示，這時隧道結 TMR的磁阻最大。HI與H2之間的磁場範圍就是TMR的測量範圍。 如圖2(a)所示，隧道結磁阻效應(TMR)惠斯通電橋由四個TMR元件211， 212， 213， 214組成。其中TMR元件211與214的磁性被釘扎層的磁矩方向221， 223與TMR元件212， 213的磁性被釘扎層的磁矩方向222， 224方向反平行。TMR元件211， 212， 213， 214的磁性自 由層的方向231， 232， 233， 234相互平行。電極215， 126是TMR惠斯通電橋的電壓輸入端， 電極217，218是TMR惠斯通電橋的電壓輸出端。電極217， 218的電壓分別表示為V217、V218。
如圖2 (b)所示，隧道結磁阻效應(TMR)惠斯通電橋的工作原理是TMR惠斯通電 橋的輸出電壓V = Vout(+)-Vout(-) = Vm-V218隨著外磁場7的方向和大小的改變而發生 變化。當外加磁場7的方向為負(-)且磁場強度大於H1時，TMR惠斯通電橋的輸出電壓最 低。當外加磁場7的方向為正(+)且磁場強度大於H2時，TMR惠斯通電橋的輸出電壓最高。 HI與H2之間的磁場範圍就是TMR惠斯通電橋的測量範圍。 如圖3所示，PCB集成式TMR電流傳感器的電流導線316集成在印刷電路板PCB 315上，電極311， 312分別是被測電流的輸入端和輸出端。TMR惠斯通電橋晶片313封裝在 電流導線316上。弓I腳314是TMR惠斯通電橋的輸入和輸出端。當被測量電流流過電流導 線316時，將產生磁場318，TMR惠斯通電橋晶片313將感應磁場的大小，從而測得電流的大 小。若PCB集成式TMR電流傳感器使用在相鄰電流比較近或者外界幹擾磁場比較強烈和復 雜的場合，可將整個傳感器放置於一個方形的屏蔽罩中。 如圖4所示，晶片集成式TMR電流傳感器包括由四個TMR元件421 ， 422， 423， 424組 成的惠斯通電橋。所有4個TMR元件的磁性被釘扎層441，442，443，444的磁矩方向相同，
5並磁性自由層431， 432， 433， 434的磁矩方向相同。惠斯通電橋的電壓輸入端為413， 414，電 壓輸出端為415， 416.電流導線417集成在惠斯通電橋上，其電流路徑經過4個TMR元件的 上面，電流的輸入端411,412.當被測量電流通過電流導線417時，產生磁場418和419，惠 斯通電橋感應磁場418,419的大小，從而測得電流的大小。TMR惠斯通電橋與電流導線一起 封裝在同一晶片中。若晶片集成式TMR電流傳感器使用在相鄰電流比較近或者外界幹擾磁 場比較強烈和複雜的場合，可將整個傳感器晶片放置於一個方形的屏蔽罩中。
如圖5(a)所示，分離式TMR電流傳感器包括一個環狀的絕緣環515，該絕緣環內 空間516供被測電流導線穿過，TMR組成惠斯通電橋晶片313被封裝在一個印刷電路板514 上，引腳314是TMR惠斯通電橋的輸入和輸出端。傳感器的最外層是磁性屏蔽層511 ;TMR 晶片313和印刷電路板514封裝在絕緣環515和最外層磁性屏蔽層511中間。當有電流通 過穿過絕緣環515的內空間516的電流導線時，將產生磁場，TMR惠斯通電橋晶片313將感 應磁場的大小，從而測得電流的大小。 所述分離式TMR電流傳感器的另外一種設計，如圖5(b)所示，包括兩個半環的絕 緣環523，524，兩個半環所組成的內空間516供被測電流導線穿過。TMR組成惠斯通電橋芯 片313被封裝在一個印刷電路板514上，引腳314是TMR惠斯通電橋的輸入和輸出端。傳 感器的最外層是由另外兩個半環521， 522組成的磁性屏蔽層；在兩個磁性屏蔽層半環521， 522外部分別設置安裝孔528， 527， 525， 526，兩個絕緣半環523， 524和兩個磁性屏蔽層半環 521， 522，由所述安裝孔528， 527， 525， 526連結組成全環。TMR晶片313和印刷電路板514 封裝在絕緣環和最外層磁性屏蔽層中間。當有電流通過穿過絕緣環515的內空間516的電 流導線時，將產生磁場，TMR惠斯通電橋晶片313將感應磁場的大小，從而測得電流的大小。 這種設計的優點是便於安裝。 由以上方案可以看出，本發明與現有技術相比，具有測量範圍寬，線性度好，精度 高，溫度特性好，響應頻率高，體積小，重量輕，成本低等優點。
權利要求
PCB集成式TMR電流傳感器，其特徵是包括由4個TMR元件組成的惠斯通電橋晶片、一個印刷電路板，將一根電流導線集成在PCB電路板上，再將所述晶片貼在帶有絕緣層的電流導線上；所述電流導線採用長直導線。
2. 晶片集成式TMR電流傳感器，其特徵是包括由4個TMR元件組成的惠斯通電橋，所 述惠斯通電橋和一根電流導線集成在一個晶片內；所述電流導線採用長直導線。
3. 如權利要求2所述的晶片集成式TMR電流傳感器，其特徵是集成晶片內的所述電流 導線的路徑經過4個TMR元件的上面。
4. 如權利要求2所述的晶片集成式TMR電流傳感器，其特徵是所述4個TMR元件的被 釘扎層的磁矩方向相互平行。
5. 分離式TMR電流傳感器，其特徵是包括由4個TMR元件組成的惠斯通電橋晶片，所 述晶片封裝在印刷電路板上，還包括一個絕緣環，該絕緣環內空間供被測電流導線穿過，所 述絕緣環封裝在磁性屏蔽環內，所述晶片和印刷電路板封裝在絕緣環和磁性屏蔽環之間； 所述電流導線採用長直導線。
6. 如權利要求5所述的分離式TMR電流傳感器，其特徵是所述絕緣環包括兩個絕緣半 環，所述屏蔽環包括兩個磁性屏蔽半環，兩個絕緣半環分別封裝在兩個磁性屏蔽半環內；所 述晶片和印刷電路板封裝在其中一組絕緣半環和磁性屏蔽半環之間。
7. 如權利要求6所述的分離式TMR電流傳感器，其特徵是通過安裝孔將兩組絕緣半環 和磁性屏蔽半環連接成整環。
全文摘要
本發明涉及三種利用隧道結磁阻效應原理(TMR)的電流傳感器晶片集成式TMR電流傳感器，PCB集成式TMR電流傳感器和分離式TMR電流傳感器，用於測量交流電流或直流電流。三種TMR電流傳感器都包括TMR惠斯通電橋，都採用一次載流導線為長直導線的磁場分布模型。本發明從根本擺脫了聚磁鐵心材料給電流傳感器帶來的諸如線性度變差，動態範圍小，體積重量增加，成本過高等方面的缺點。由於TMR元件的特性及傳感器設計的特性，本TMR電流傳感器發明具有線性度好，動態範圍寬，精度高，溫度特性好，響應頻率高，體積小，重量輕，成本低，抗幹擾性強等優點。
文檔編號G01R19/00GK101788596SQ201010105268
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者王建國, 薛松生 申請人:王建國;薛松生