[发明专利]TMR电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及电流传感器，尤其是一种利用隧道结磁阻效应原理(TMR)的电流传感器。

背景技术

常用的电流测量装置一般采用霍尔元件作为传感器单元，通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量。目前也有用各向异性磁阻元件(AMR)和巨磁阻元件(GRM)作为传感器单元，其原理同霍尔元件相同是通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量。

霍尔元件由于灵敏度低，通常采用铁磁材料通过聚磁效应来提高精度。有开环型，闭环型及点阵式霍尔电流产感器。开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件放置在导磁体的气隙中。开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般可达10-2级，被测电流与互感器额定电流相比较小时，测量误差会急剧增加，其主要原因是：由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电流时，这种偏差有为明显。

闭环型电流传感器采用霍尔元件或各向异性磁阻元件(AMR)，沿用了比较仪的零磁通原理，在开环型霍尔电流传感器的基础上进行了一系列改进，首先是在带气隙的铁磁材料上均匀布置一个平衡绕阻，其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小，而作为一个剩余磁通检测单元，霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过平衡绕阻。稳态下，平衡绕阻与被测电流保持良好的线性关系，比例系数为平衡绕阻的绕线砸数与被测电流绕线砸数的比值，通过检测平衡绕阻中的电流大小即可得到被测电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，准确度可高达10-3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限，制作大电流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。

点阵式霍尔电流传感器由N个霍尔元件组成的阵列，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面窜过路径的中心轴。并将N个霍尔元件组成的阵列放于一个圆筒形的屏蔽筒中。点阵式霍尔电流传感器排出了铁心的存在，从而克服了铁磁材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差，动态范围小，体积重量增加，成本过高等方面的缺点。但是由于霍尔元件本身的低灵敏度，其点阵式霍尔电流传感器的精度不高。

采用巨磁阻元件(GRM)作为传感器单元的电流传感器，虽然测量精度相对于霍尔电流传感器有所提高，但是其受巨磁阻元件(GRM)的线性范围小的约束，测量范围小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供三种TMR电流传感器，分别是：芯片集成式TMR电流传感器，PCB集成式TMR电流传感器，分离式TMR电流传感器，其性能好，成本低。

按照本发明提供的技术方案，所述PCB集成式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片、一个印刷电路板，将一根电流导线集成在PCB电路板上，再将所述芯片贴在带有绝缘层的电流导线上；所述电流导线采用长直导线。

所述芯片集成式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥和一根电流导线集成在一个芯片内；所述电流导线采用长直导线。集成芯片内的所述电流导线的路径经过4个TMR元件的上面。所述4个TMR元件的被钉扎层的磁矩方向相互平行。

所述分离式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片，所述芯片封装在印刷电路板上，还包括一个绝缘环，该绝缘环内空间供被测电流导线穿过，所述绝缘环封装在磁性屏蔽环内，所述芯片和印刷电路板封装在绝缘环和磁性屏蔽环之间；所述电流导线采用长直导线。

所述绝缘环包括两个绝缘半环，所述屏蔽环包括两个磁性屏蔽半环，两个绝缘半环分别封装在两个磁性屏蔽半环内；所述芯片和印刷电路板封装在其中一组绝缘半环和磁性屏蔽半环之间。通过安装孔将两组绝缘半环和磁性屏蔽半环连接成整环。

本发明由于TMR元件的特性及传感器设计的特性，具有线性度好，动态范围宽，精度高，温度特性好，响应频率高，体积小，重量轻，成本低等优点。

附图说明

图1是隧道结磁阻效应(TMR)工作原理及结构示意图。

图2是隧道结磁阻效应(TMR)组成的惠斯通电桥工作原理及结构示意图。

图3是PCB集成式TMR电流传感器的结构示意图。

图4是芯片集成式TMR电流传感器的结构示意图。

图5是分离式TMR电流传感器的结构示意图。

具体实施方式