专利名称：一种电流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电流传感器，尤其是一种采用隧道结磁电阻为敏感元件的含温度补偿磁电阻的电流传感器。
背景技术：
常用的电流传感器通常采用霍尔元件为敏感元件，也有采用各向异性磁电阻(AMR)或巨磁电阻(GMR)为敏感元件的电流传感器，其共同点在于都是属于磁敏感元件，通过敏感被测通电导线产生的磁场来实现对其电流大小的测量。霍尔元件的灵敏度极低，以霍尔元件为敏感元件的电流传感器通常使用聚磁环结构来放大磁�。岣呋舳涑隽槊舳龋佣黾恿舜衅鞯奶寤椭亓浚被舳哂泄拇螅咝远炔畹娜毕�。AMR元件虽然其灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的电流传感器需要设置set/reset线圈对其进行预设_复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的电流传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度，但是其线性范围偏低。隧道结磁电阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，TunnelMagnetoresistance),主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化,磁性多层膜材料的电阻发生明显变化，比之前所发现并实际应用的AMR元件具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔元件和GMR元件具有更好的温度稳定性。以MTJ元件为敏感元件的电流传感器比霍尔电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR电流传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。MTJ电流传感器的温度特性虽然强于以霍尔元件、AMR元件和GMR元件为敏感元件的电流传感器，但是在实际使用中依然存在温度漂移现象。
发明内容本实用新型提供了一种一种电流传感器，以MTJ为敏感元件，且能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。为达到上述目的，本实用新型提供了一种电流传感器，包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及一个或多个MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，所述电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，所述MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，该永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在测量范围内仅随温度变化的高阻态，所述惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，并且通过该稳定的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。[0008]优选地，所述MTJ磁电阻和MTJ温度补偿磁电阻由一个或多个MTJ元件串联而成，多个MTJ元件具有相同的温度特性、Rh值以及&值。优选地，惠斯通电桥为惠斯通半桥。优选地，所述惠斯通电桥为惠斯通全桥。本实用新型采用以上结构，能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积�。露忍匦院玫挠诺�。
图I是隧道结磁电阻元件(MTJ)的示意图。图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件沿难轴方向的磁阻变化曲线示意图。图3是MTJ元件I串联而形成一个等效MTJ磁电阻的概念图。图4是不同温度下MTJ磁电阻的磁阻变化曲线图。图5是一种MTJ惠斯通推挽半桥的概念图。图6是MTJ推挽半桥的典型输出图。图7是MTJ推挽半桥在不同温度下的输出的模拟结果。图8是一种MTJ惠斯通推挽全桥的概念图。图9是MTJ推挽全桥的典型输出图。图10是MTJ推挽全桥在不同温度下的输出的模拟结果。图11是一种含温度补偿电阻的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。图12是另一种含温度补偿电阻的MTJ推挽半桥电流传感器芯片的概念图。图13是一种含温度补偿电阻的MTJ推挽全桥电流传感器芯片的概念图。图14是不同磁场下增加温补电阻前后MTJ推挽桥式电流传感器温度系数的测试结果。
具体实施方式
图I是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件I 一般包括上层的铁磁层或人工反铁磁层(Synthetic Anti ferromagnetic, SAF )5,以及下层的铁磁层或SAF层3，两个磁性层之间的隧道势垒层4。在这种结构中，上层的铁磁层和(SAF层)5组成了磁性自由层，其磁化方向随外部磁场的改变而变化。下层的铁磁层(SAF层)3是一个固定的磁性层，因为其磁化方向是钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的。钉扎层通常是在反铁磁性层2的上方或下方沉积铁磁层或SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层10的上方，同时MTJ结构的上方为电极层6。MTJ的种子层10和保护层6之间的测量电阻值11代表自由层5和钉扎层3的相对磁化方向。当上层的铁磁层(SAF层)5的磁化方向与下层的铁磁层3的磁化方向平行时，整个元件的电阻11在低阻态。当上层的铁磁层(SAF层)5的磁化方向与下层的铁磁层3的磁化方向反平行时，整个元件的电阻11在高阻态。通过已知的技术，MTJ元件I的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化。图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件I的磁阻变化曲线示意图。输出曲线在低阻态12和高阻态13的阻值时饱和。当钉扎层磁化方向8和自由层磁化方向7平行时，MTJ元件I的阻值为低阻态12 ;当钉扎层磁化方向8和自由层磁化方向7反平行时，MTJ元件I的阻值为高阻态13。在达到饱和之前，输出曲线是线性依赖于外加磁场H。输出曲线通常不与H=O的点对称，H。是饱和场21、22之间的典型偏移，低阻态12对应的饱和区域更接近H=O的点，H。的值通常被称为“桔子皮效应(Orange Peel)”或“奈尔耦合(Neel Coupling)”，其典型值通常在I到25 Oe之间，与MTJ元件I中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。在不饱和区域，输出曲线方程可以近似为
权利要求1.ー种电流传感器，其特征在于包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及ー个或多个MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，所述电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，所述MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，该永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在该电流传感器的測量范围内仅随温度变化的高阻态，所述惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，该电流传感器通过惠斯通电桥的两端的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。
2.根据权利要求I所述的电流传感器，其特征在于所述MTJ磁电阻和MTJ温度补偿磁电阻由ー个或多个MTJ元件串联而成，多个MTJ元件具有相同的温度特性、Rh值以及も值。
3.根据权利要求I所述的电流传感器，其特征在于所述惠斯通电桥为惠斯通半桥。
4.根据权利要求I所述的电流传感器，其特征在于所述惠斯通电桥为惠斯通全桥。
专利摘要本实用新型提供了一种电流传感器，包括集成设置在同一芯片内的由MTJ磁电阻组成的惠斯通电桥以及MTJ温度补偿磁电阻、电流导线，电流导线靠近惠斯通电桥并且其中可通有被测电流，MTJ温度补偿磁电阻四周设置有永磁体，永磁体将MTJ温度补偿磁电阻的自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向呈反向平行以使MTJ温度补偿磁电阻处于阻值在测量范围内仅随温度变化的高阻态，惠斯通电桥和MTJ温度补偿磁电阻相串联以在惠斯通电桥的两端得到稳定的输出电压，通过稳定的输出电压得到被测电流产生的磁场从而得到被测电流值。本实用新型采用以上结构，能对温度漂移进行补偿的电流传感器，具有灵敏度高，线性范围宽，功耗低，温度特性好的优点。
文档编号G01R19/32GK202421321SQ20112056537
公开日2012年9月5日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者王建国, 白建民, 薛松生, 韩连生, 黎伟 申请人:江苏多维科技有限公司
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