[实用新型]新型巨磁阻集成电流传感器

说明书

【技术领域】

本实用新型涉及一种用于测量直流、交流、脉冲电流的GMR集成电流传感器，具体地说是一种新型巨磁阻集成电流传感器，属于电流测量装置技术领域。

【背景技术】

电流传感器用于探测和隔离测量直流、交流电流，广泛应用于工业仪表、工业过程控制和PCB电流检查等。目前广泛采用的电流测试器件或装置主要有电流互感器、霍尔电流传感器等(图1、图2所示)。电流互感器通过主回路隔离进行检测，但它的测试频率范围窄。霍尔电流传感器利用霍尔元件测量被测电流在铁芯气隙里的感应强度来判断被测电流大小的。霍尔元件的体积大，能耗较高，温度特性较差。上个世纪八十年代末期，科学界发现了巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive，GMR)，即磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。铁磁材料磁矩的方向是由加到铁磁材料的外磁场控制的，磁阻的变化正比于外磁场，从而可以实现将磁场变量转换成电量，因此，根据巨磁阻效应可以设计一种新型巨磁阻集成电流传感器。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一种特别适用于对小电流的测量，响应速度快、精度高、稳定性好的新型巨磁阻集成电流传感器。为此，本实用新型采用如下技术方案：

新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于包括：位于基底上的4个GMR磁敏电阻单元及其电连接所构成的GMR惠斯通电桥、位于GMR惠斯通电桥上方的集成电流导线，所述的集成导线和GMR惠斯通电桥之间由一层绝缘层隔离。当被测电流通过集成电流导线时，电流产生的磁场可被GMR惠斯通电桥检测并将磁信号转换为电信号输出。因此，当有电流流过集成电流导线时会在其周围产生磁场，基于巨磁阻效应，微小磁场变化可导致的磁性材料电阻率的明显变化，本实用新型的新型传感器能够灵敏准确地感应这个的磁场，可将磁信号精确的转换成电信号，进而可将被测电流的大小输出，进行检测。凭借巨磁电阻的高灵敏度和良好频率特性，该电流传感器能够为不同领域的电流测量提供精确可靠的解决方案。此外，通过微细加工技术，将四个巨磁电阻与导线以一种特定的方式集成在一起，可实现器件的小型化和低功耗。

对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合：

所述的GMR磁敏电阻单元是由GMR自旋阀材料刻蚀成的蛇形电阻组成。蛇形电阻均匀性好，能精确而敏锐地探测外界磁场的大小和变化，自旋阀材料刻蚀制造，便于生产，成本较低。

所述的GMR自旋阀材料是多层膜结构，包括自上而下依次排列的钉扎层、被钉扎层、非磁透明层和自由铁磁层。其中钉扎层为反铁磁性物质，被钉扎层和自由铁磁层为铁磁性物质，非磁性透明层为起隔离作用的非磁性物质。钉扎层将被钉扎层的磁矩“钉扎”在某一个固定的方向。当被钉扎层和自由磁铁层的磁矩方向平行时，这一结构呈低阻态；当两者的磁矩方向反平行时，这一结构呈高阻态。因此，自旋阀材料的多层膜结构产生的电阻值会随外界磁场的变化而发生改变，该特性可用于检测集成电流导线通电时所产生的电磁场，其测量范围和精度优于现有技术中的传感器结构。

所述的自由铁磁层材料可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或两种合金组合的复合层。

所述的非磁透明层是Cu金属层。

所述的被钉扎层可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或排列次序为CoFe合金层/Ru金属层/CoFe合金层的复合层。

所述的钉扎层可为IrMn合金层、NiMn合金层、PtMn合金层或CrPtMn合金层。

GMR磁敏电阻单元工作在线性模式下：被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层的交换耦合固定在磁场敏感方向上。而自由层的磁化方向没被固定，可随信号磁场而转动。在没有外加磁场时，自由层的磁化方向与敏感方向成90°。当有电流通过线圈时，就会在磁场敏感方向上产生磁场，进而引起GMR单元的电阻产生ΔR的变化量。

所述的4个GMR磁敏电阻单元和集成电流导线上方设置有由高磁导率的软磁材料Ni、Fe、NiFe合金、NiFeB合金的一种或多种组成的软磁屏蔽层。