[发明专利]一种电流传感器

说明书

技术领域

本发明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场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大，线性度差的缺陷。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, Tunnel Magnetoresistance），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

本发明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，本发明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。

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、R_H值以及R_L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。

本发明采用以上结构，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，体积小，温度特性好的优点。

 

附图说明

图1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1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。