基于TMR元件的電流傳感器的研制*

王海寶，郭海平，王于波，王崢，郭彥

(1.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，北京 100192；3.江蘇多維科技有限公司，江蘇 張家港 215634)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)復雜程度的日益提高，對電能的測量也趨于精細化，這就需要提高電流測量的精度，特別是對于目前猖獗的竊電行為，只有高精度的電流測量能力，才能有效檢測并減少該行為的發(fā)生[1]；同時，電網(wǎng)中含有大量的諧波信息，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，如何獲得此信號的信息也是傳感器設計的一個方面[2]。隨著電網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)點的鋪開，需要大量的電流傳感器。因此，研究高精度、低成本、多功能的電流傳感器，就成了一個目前較為急迫的課題。

對電流進行測量的傳感器或者系統(tǒng)，主要有以下幾種：

(1)采樣電阻，其優(yōu)勢在于成本非常低廉，但是缺點也非常明顯：大電流時發(fā)熱嚴重、測量端和被測量端沒有電氣隔離，從而使得電力系統(tǒng)中無法使用該方法進行高壓大電流的測量;

(2)電流互感器，其為目前被廣泛采用的測量電流的元件，只能測量交流的電流。由于電感的存在，輸出信號和被測電流信號之間存在信號相位的偏差。在較大電流下，非線性誤差較大，電流測量精度不高。由于電流互感器中使用了磁芯，而在電流較大情況下，磁芯存在飽和的風險，因此需要專門對磁芯進行設計，并且加上必要的保護電路[3-4];

(3)光學電流互感器，利用光學原理，該互感器解決了磁芯帶來的困擾，但存在溫漂大、穩(wěn)定性差和易受電磁干擾的問題[5];

(4)羅氏線圈，其與電流互感器最大的區(qū)別是選擇了無磁芯的結構，在非磁性材料的骨架上繞制空心螺線管。由于沒有磁性材料的使用，羅氏線圈具有抗外界干擾、響應快、不飽和的特點[6-8]。但羅氏線圈在制作上較為繁瑣，對繞制精度有一定的要求，且不能測量直流電流;

(5)霍爾器件，此利用霍爾效應直接測量被測導線附近的磁場，而磁場信息包含了電流中的所有物理量，因此是最直接的電流測量方法，有效克服了線圈類傳感器的測量頻段問題[9-10]。此外霍爾傳感器直接用電壓或者電流驅(qū)動，電路簡單[11]。目前霍爾器件已經(jīng)大批量生產(chǎn)，成本低廉，用霍爾器件構建的電流傳感器也已經(jīng)得到了大量的應用[12]。但是霍爾器件溫度特性較差，需要復雜的溫度補償電路。

TMR元件與霍爾元件一樣，直接測量磁場，可以得到被測電流中所有的物理量。同時，與霍爾元件相比，TMR元件具有溫度特性好、靈敏度高、成本較低的特點，在電流測量領域具有較好的應用潛力[13-14]。文中結合電流傳感器的應用要求，闡述了TMR元件的原理，電流傳感器中TMR元件的設計，并構建了開環(huán)電流傳感器。

1 電流檢測原理與設計

通過設計特殊形狀的導線，使導線附近存在兩個位置，此兩個位置磁場大小相等，方向相反，且磁場大小正比于導線中的電流大小。線性TMR元件的輸出電壓正比于外加磁場，將兩個TMR元件放置于上述兩個位置，即可形成梯度結構的電流傳感器。下面從TMR元件設計開始，闡述整個設計過程。

1.1 TMR元件設計

TMR元件的最小結構單元是磁隧道結，結構如圖1所示。其基本結構是三層膜結構，隧道層兩側分別為自由層和被釘扎層，其中被釘扎層的磁矩方向固定，通常用人工反鐵磁耦合的方法實現(xiàn)磁矩的釘扎。隧道層是埃米級厚度的鎂或鋁的氧化物，可被隧穿。自由層是高磁導率的鐵磁材料，其磁化方向受外界磁場的調(diào)制[15]。自由層的磁矩和被釘扎層的磁矩之間的夾角，決定了磁隧道結的磁電阻R。

圖1 磁隧道結典型結構Fig.1 Typical structure of magnetic tunneling junction

對于隧道結中的自由層，其磁化方向取決于系統(tǒng)的最小能量，系統(tǒng)能量包括：被測磁場提供的能量、偏置磁場提供的能量、退磁場能以及各向異性能。如圖2所示，當有被測磁場Ha時，自由層的磁矩M穩(wěn)定在某一角度(圖2中的θ)，那么自由層和被釘扎層磁矩夾角為90o-θ。而磁電阻R滿足式(1)，其中C1和C2為與TMR薄膜有關的常數(shù)，(由于篇幅有限，在此不對θ進行詳細推導，僅給出最終靈敏度測試結果)。

圖2 自由層磁矩方向的決定因素Fig.2 Factors determines magnetic moment of free layer

(1)

通過測量磁電阻R的值，即可計算出外界磁場的大小，繼而推算出被測電流的信息。在實際應用中，通常將四個靈敏方向不同的電阻電氣連接成橋式結構，橋式結構的輸出電壓與外界磁場成線性關系。橋式結構如圖3左圖所示，圖中R1和R4的靈敏方向一致，且反平行于R2和R3(圖中箭頭代表靈敏方向)，當有外加磁場時，差分輸出信號(V+)-(V-)的曲線如右圖所示。此電路的特點是：輸出信號是線性信號。

圖3 全橋結構(左圖)以及其輸出曲線(右圖)Fig.3 Full-bridge structure (left side) and its transfer curve (right side)

1.2 電流傳感器中磁場分布仿真

當有電流流過通電導線時，在導線周圍就會存在磁場，將TMR元件放置于某一位置，即可測量出導線產(chǎn)生的磁場大小與方向，進而推算出電流大小和方向。設計了一種類似U形的導線結構，以產(chǎn)生兩個位置，在這兩個位置處，磁場大小相等，方向相反。通電導線如圖4所示，其中整個方框是有限元仿真的邊界，方框內(nèi)部是通電導線，電流方向如圖中箭頭所示。在中小電流測量應用中，一般電流量小于50 A，論文用針對50 A的電流測量應用，展開基于TMR元件的電流傳感器設計和驗證。

圖4 通電導線結構圖Fig.4 Structure diagram of electricity line

圖5是三維仿真圖，圖中箭頭代表磁力線的方向。圖6是以通電導線的平面為視角，繪制的磁場分布圖，從圖中可以看出，在x軸方向，通電導線的兩側具有方向相反的磁場。如果將兩個TMR元件分別放置在通電導線兩側，如圖6中箭頭起點位置所指，這兩個傳感器將組成梯度的結構，在測量通電導線的磁場的同時，免除外界均衡磁場的干擾(如地磁場)。

圖5 施加電流50 A時，導線周圍磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution when 50 A current is applied

圖6 平面內(nèi)磁場和傳感器放置位置Fig.6 Magnetic field in plane and position of sensor

在實際應用中，傳感器不可能位于通電導線的表面，而是位于通電導線上方的某個位置。在通電導線和TMR元件之間，是PCB板和TMR元件的封裝體。通常情況下，PCB板厚度為1 mm左右，而TMR元件的底部到TMR的靈敏部位距離為0.5 mm(即封裝體下半部分厚度為0.5 mm)，因此通電導線到TMR靈敏部位的距離為1.5 mm左右。

圖7是有限元仿真的二維圖，圖中曲線為磁場的磁力線，A和B分別為文中使用的導線的兩個截面，截面的長和寬分別為7 mm和3 mm，兩導線間距為2 mm。下面考察當傳感器和導線間距為1.5 mm時，如何選擇傳感器的水平位置。

圖7 導線周圍磁場分布的二維圖Fig.7 2-D view of magnetic field produced by leads

圖8是圖7中一條直線上的水平方向的磁場分量，該直線距離導線1.5 mm，其中水平位置零點即兩個傳感器的中點位置。從圖中可見，在5 mm和-5 mm處，磁場具有極值，絕對值為10 Gs左右。因此，兩個傳感器的最佳間距為10 mm。此外，為了得到較高的電流測量精度，TMR元件的線性工作范圍應大于10 Gs。

由于電流與磁場是線性關系，且兩個傳感器處電流產(chǎn)生的磁場方向相反，因此，兩個傳感器位置處的磁場滿足下面表達式：

Ha= 0.2×I+Hdistube

(2)

Hb=-0.2×I+Hdistube

(3)

其中Ha和Hb分別為圖7中傳感器a和b位置處的磁場，I為導線中電流，Hdistube外部干擾磁場，由于兩個傳感器位置較近，地球磁場或者外部干擾磁場在兩個傳感器位置處產(chǎn)生的分量可以認為是一致的。

圖8 傳感器位置處的水平方向磁場分量Fig.8 Horizon component of magnetic field where sensor locates

1.3 TMR元件的制備和測試

TMR元件的制備過程如下：利用濺射鍍膜的工藝，在硅基板上依次沉積下電極層、種子層、人工反鐵磁層、MgO隧道層、自由層和上電極層；再利用刻蝕的方法，制作出磁隧道結；再在上電極層構建電氣互連結構，實現(xiàn)隧道結的互連，以構成磁電阻；將裸晶圓放置在引線框上，對位安裝、打線、注塑、脫模，最終形成封裝好的TMR元件。磁隧道結的膜層體系為IrMn/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO/ CoFeB/NiFe/Ta,磁隧道結尺寸為4 μm×20 μm，每一個磁電阻(圖3中的R1～R4)具有300個磁隧道結。

圖9是實際研制的TMR元件隨外加磁場的響應曲線，其中電源電壓為5 V，從圖中可算出，該TMR元件的靈敏度為4.4 mv/v/Oe，遠高于霍爾元件。在15 Gs以內(nèi)，其線性度非常好。此外，在沒有外加磁場時，offset電壓為1%Vcc，說明工藝一致性比較好。

圖9 TMR元件輸出響應曲線Fig.9 Response curve of TMR device output

結合式(2)和式(3)，可得傳感器a和b的輸出電壓表達式為：(輸入電壓為1 V，輸出電壓單位為mV)

Va=4.4×(0.2×I+Hdistube)

(4)

Vb=4.4×(-0.2×I+Hdistube)

(5)

令傳感器輸出電壓為：

Vo=Va-Vb=8.8×0.2×I

(6)

由式(6)可見，通過將兩個傳感器構成梯度的方式，可以免除外界干擾磁場的影響。

2 電流傳感器構建和性能測試

圖10是利用TMR元件構成的開環(huán)電流傳感器模塊，其中電流導線位于PCB背面，兩個TMR元件位于PCB正面，在放置TMR元件時，需保證TMR元件的靈敏部位關于電流導線對稱分布，兩個TMR元件的間距為10 mm。由于TMR元件本身信號較小，為了使系統(tǒng)能夠識別器信號，需要用運放將傳感器信號進行放大，為了消除運放帶來的非線性，選擇了高精度的儀表運算放大器。

圖10 基于TMR元件的電流傳感器Fig.10 Current sensor based on TMR device

表1 電流傳感器DEMO測量結果Tab.1 Test result of current sensor DEMO

表1是所研制的TMR電流傳感器模塊實際測試結果，從表中可以看出，電流測量誤差在1%以內(nèi)。

其中小電流時的誤差稍大，其原因可能為：當電流很小時，TMR元件位置處的磁場很小，此時元件的噪聲信號、放大電路的噪聲和非線性不可忽略，引起測量誤差。

3 結束語

闡述了一種基于TMR元件的電流傳感器的研制方法，利用該方法構建的電流傳感器模塊，在50 A的電流范圍內(nèi)，測量誤差小于1%，證明了TMR元件作為電流傳感器中的磁敏元件的可行性。當被測電流較小時，測量精度有所下降，使得在微小電流測量時，精度可能會達不到要求，需要從TMR元件本底噪聲、電子回路噪聲方面去進行研究。目前基于TMR元件的電流傳感器尚未得到大量開發(fā)，在實際生產(chǎn)和應用中，還需要對TMR電流傳感器的每個指標進行大量的實驗驗證。