隧道磁阻电流传感器的设计研究

㊀2019年㊀第12期
仪表技术与传感器
Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor
2019㊀No.12㊀
基金项目:国家电网公司科技项目(JL71-18-007)收稿日期:2019-01-24
隧道磁阻电流传感器的设计研究
张蓬鹤1,李求洋1,张卫欣2,刘崇伟2
(1.中国电力科学研究院有限公司,北京㊀100192;2.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津㊀300384)
㊀㊀摘要:隧道磁阻(TMR)器件具有灵敏度高㊁温度漂移小㊁线性误差小㊁动态范围宽的优良特性,采用隧道磁阻器件替代传统的霍尔器件㊁各向异性磁阻(AMR)器件和巨磁阻(GMR)器件可以显著地改善电流测量能力㊂以提高测量精度㊁系统小型化为目的,通过综合调整TMR元件尺寸以及
聚磁结构位置,设计一种新型Z轴TMR电流传感器,实现采用隧道磁阻(TMR)器件的电流测量㊂根据初始测量数据进行温度补偿和线性补偿,该电流传感器在0.1 60A范围内达到了1%的测量精度,在电流测量领域内具有较好的应用前景㊂
关键词:电流传感器;电流测量;隧道磁阻;磁隧道结;聚磁结构
中图分类号:TM933.1㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2019)12-0023-04
StudyonDesignofTunnelingMagnetoresistanceCurrentSensor
ZHANGPeng⁃he1,LIQiu⁃yang1,ZHANGWei⁃xin2,LIUChong⁃wei2
(1.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China;
2.ElectricPowerResearchInstitute,StateGridTianjinElectricPowerCompany,Tianjin300384,Chin
a)Abstract:Thetunnelmagnetoresistance(TMR)deviceshastheexcellentcharacteristicsofhighsensitivity,smalltemperaturedrift,smalllinearerror,andwidedynamicrange.Usingtunnelreluctancedevicesinsteadoftraditionalhalldevices,anisotropicmagnetoresistance(AMR)devicesandgiantmagnetoresistance(GMR)devicescansignificantlyimprovecurrentmeasurementcapability.Inordertoimprovemeasurementaccuracyanddownsizethesystem,anewtypeofZ-axisTMRcurrentsensorwasdesignedbycomprehensivelyadjustingthesizeofTMRcomponentstorealizeTMRcurrentmeasurement.Aftertakingtemperaturecompensationandlinearcompensationbasedontheinitialmeasureddata,thecurrentsensorcanreachaccuracyof
1%withinthemeasurementrangeof0.1 60A,andhasag
oodapplicationprospectinthefieldofcurrentmeasurement.
Keywords:currentsensor;currentmeasurement;tunnelmagnetoresistance;magnetictunneljunction;magneticgatheringstructure
0㊀引言
电流传感器主要包括电流互感器㊁罗氏线圈㊁霍尔传感器等,这些传感器存在明显的局限性㊂电流互感器只能测试交流电流,磁芯存在饱和风险[1];罗氏线圈不能测直流电流,线圈制作繁琐[2];霍尔器件温度特性较差[3-4]㊂隧穿磁阻(tunnelingmagnetoresistance,TMR)传感器具有灵敏度高㊁温度漂移小㊁线性误差小㊁动态范围宽的优良特性,适合应用于电流测量领域㊂文献[5-6]阐述了TMR效应的有效测量方向是TMR器件的表面方向,即TMR传感器只能检测平行于其表面的磁场㊂然而,载流导线布置于TMR传感器的正上方,会造成载流导线与TMR传感器之间的距离难以控制且不易于集成化[7]㊂
本文设计了一种新型Z轴TMR电流传感器,其
灵敏方向垂直于芯片表面,通过PCB布线控制载流导线与TMR传感器的距离,实现与TMR传感器在同一平面上的电流测量㊂Z轴TMR电流传感器将TMR元件放置为梯度结构,通过在磁隧道结上方沉积一层高磁导率的聚磁结构扭转外加磁场方向,实现灵敏方向垂直于芯片表面的设计目标㊂对测量数据进行温度补偿和线性补偿后,测试结果表明TMR电流传感器在0.1 60A测量范围内,测量精度达到1%㊂1㊀TMR元件设计
TMR元件的最小结构单元是磁隧道结(magnetic
tunneljunction,MTJ),基本结构如图1所示㊂其基本结构是3层膜结构,分别为隧道层㊁自由层㊁被钉扎层㊂
被钉扎层的磁矩方向固定,隧道层是可被隧穿的Å级厚度的镁或铝氧化物,自由层是高磁导率的铁磁材料,其磁化方向受外界磁场的调制[8]㊂自由层的磁矩和被钉扎层的磁矩之间的夹角,决定了磁隧道结的磁电阻R㊂
㊀㊀
㊀24㊀InstrumentTechniqueandSensor
Dec.2019㊀
图1㊀磁隧道结基本结构
自由层的磁化方向取决于系统的最小能量,系统能量包括:被测磁场提供的能量㊁偏置磁场提供的能量㊁退磁场能以及各向异性能㊂如图2所示,当有被测磁场Ha时,自由层的磁矩M稳定在某一角度θ,那么自由层和被钉扎层磁矩夹角为90ʎ-θ,此时磁电阻R满足式(1):
R=C1
C2+sinθ(1)
式中:C1和C2为与TMR薄膜有关的常数㊂
图2㊀磁矩方向
通过测量磁电阻R的值,即可计算出外界磁场和被测电流的大小㊂
将4个灵敏方向不同的磁电阻连接成全桥结构,如图3所示,图中箭头代表各磁电阻的灵敏方向㊂R1和R4的灵敏方向一致,反向平行于R2和R3灵敏度㊂当有适当的外加磁场时,全桥结构的输出电压与外界磁场成线性关系[9]㊂
图3㊀全桥结构及其输出曲线
2㊀TMR传感器原理及设计2.1㊀Z轴TMR传感器原理
为使被测磁场方向改变至TMR传感器的灵敏方向,本文应用聚磁结构的设计方法,在MTJ上方沉积一层聚磁结构扭转外加磁场的方向㊂其结构侧视图
及磁场扭转方向示意如图4所示㊂图中2个磁隧道结MTJ1和MTJ2对称放置于聚磁结构的下方两侧,磁场流线代表磁场的方向㊂当有垂直方向的外加磁场时,
在聚磁结构的边缘,磁场方向会发生改变,在MTJ位置存在平行于MTJ表面方向的磁场分量㊂2个磁隧道
结由于相对聚磁结构位置对称,其表面水平磁场分量大小相等㊁方向相反
图4㊀聚磁结构改变磁场方向
为了提高Z轴传感器的灵敏度,一方面需要提高MTJ自身的磁场响应,另一方面需要对聚磁结构进行优化设计,使得在一定的外加磁场下,提高平行于MTJ
表面方向的磁场分量㊂2.2㊀MTJ的磁场响应
MTJ灵敏度反映的是自由层磁矩被外加磁场改变的难易程度,而自由层磁矩的方向为自由层内最小
能量方向㊂由于薄膜工艺确定,自由层的外场能和磁晶各向异性能在固定方向的大小为确定量,因此退磁场能的大小影响了自由层内磁矩方向㊂退磁场能大小取决于MTJ的长宽比㊂对于CoFeB/MgO/CoFeB/NiFe隧道结,不同长宽比的MTJ灵敏度如图5所示(1Oe=
1000
4π
A/m)㊂图5㊀MTJ灵敏度随长宽比的变化
由图5可以看出,MTJ的长宽比值越小,灵敏度越
高㊂为了减小器件体积㊁降低成本㊁降低功耗,应尽量减小线宽㊂根据目前的磁电阻器件MEMS工艺水平,本文将线宽设计为2μm,即MTJ的宽度尺寸为2μm㊂MTJ长宽比过小会引起较大磁滞,且理论分析MTJ磁滞影响非常困难,本文采用长宽比为4进行试制,采用试验验证的方式确定长宽比是否合适㊂
㊀㊀
㊀第12期
张蓬鹤等:隧道磁阻电流传感器的设计研究
25㊀㊀
不良资产管理系统
3㊀TMR电流传感器设计3.1㊀MTJ与聚磁结构的垂直距离
聚磁结构位于MTJ的上方,二维有限元仿真得到的水平磁场结果如图6所示㊂可以看出距离聚磁结构的垂直距离越近,水平磁场分量越大㊂因此,为了提高磁场强度,垂直距离应越小越好
图6㊀NiFe聚磁效果的二维有限元仿真
NiFe层通常厚度较大,工艺上多采用电镀的方法
构建,即在MTJ薄膜的上表面增加绝缘层后再电镀NiFe㊂为了保证电气绝缘和工艺可控性,本文设置MTJ与聚磁结构的垂直距离为1μm,尽可能大地提高MTJ灵敏度㊂
3.2㊀聚磁结构间距㊁厚度和宽度
对于聚磁结构来说,聚磁能力最主要的指标是将垂直磁场转变为水平磁场的效果,聚磁结构的几何尺寸不同直接影响聚磁能力的大小㊂由于TMR传感器由众多个MTJ构成,因此聚磁结构采用并联形式,形成聚磁阵列㊂图7为聚磁阵列的三维仿真模型,X和Z方向分别为聚磁结构的厚度和宽度方向,外加磁场方向为Z轴方向
㊂图7㊀聚磁阵列的仿真模型
在Z轴方向施加100Gs的磁场,仿真比较不同结构尺寸下的聚磁结构性能㊂选择图7中Y=0,Z=0这一条直线,比较不同聚磁结构厚度和宽度时,垂直磁场在该直线上的水平磁场分布㊂对于不同宽度下的聚磁结构,厚度对聚磁结构产生的水平磁场分量影响
如图8所示,图8中1Gs=10-4T㊂
(a)聚磁结构宽度为5μm
(b)聚磁结构宽度为10μm
(c)聚磁结构宽度为20μm
图8㊀聚磁结构厚度对水平磁场强度的影响
从图8可见,聚磁效果随着厚度的增加而逐步增强,当厚度超过10μm时,聚磁效果随着厚度的增加反而减弱㊂此外,聚磁层厚度越大,对电镀工艺的要求越高㊂因此本文将聚磁层的厚度设计为10μm㊂由图8可知,随着聚磁结构宽度的增加,聚磁的效果略有减小,但是几乎可以忽略㊂而在工艺上,聚磁层的宽度应不小于聚磁层厚度;但宽度越大,器件的尺寸越大,器件成本增加,因此本文将聚磁结构的宽度同样设计为10μm㊂
在相邻2个聚磁结构之间,至少放置2个MTJ用于磁场强度测量㊂MTJ的宽度为2μm,聚磁结构的宽度为10μm,且需留有至少1μm的绝缘距离,因此相邻2个聚磁结构的间距为设置为15μm㊂3.3㊀MTJ中心到聚磁结构边缘距离
基于以上聚磁结构和MTJ尺寸,进行MTJ中心到
聚磁结构边缘距离的设计㊂图9显示了图7中聚磁结构下方直线Y=0,Z=0位置处的水平磁场分布,灰框表示聚磁结构的位置㊂从图9可知,水平磁场最大的位置位于聚磁结构的外侧,距离聚磁结构边缘大约0.5μm位置㊂
图9㊀聚磁结构和磁场分布的空间位置关系
4㊀TMR电流传感器的制备和测试4.1㊀TMR元件的制备
TMR元件的试制采用TMR溅射镀膜工艺平台,
经过基片清洗㊁镀膜㊁高温退火㊁刻蚀㊁电镀NiFe等工序,制备出了Z轴TMR元件样品㊂TMR元件的制备过程如下:利用溅射镀膜工艺,在硅基板上依次沉积电极层㊁种子层㊁人工反铁磁层㊁MgO隧道层㊁自由层和上电极层;利用刻蚀的方法,制作出磁隧道结;在上电极层构建电气互连结构,实现隧道结的互连;将裸晶圆放置在引线框上,对位安装㊁打线㊁注塑㊁脱模,最终形成TMR
元件㊂
图10是研制得到的TMR元件随外加磁场的输出响应曲线,其输入电压为5V㊂可以计算得到该TMR元件的灵敏度为4.4mV㊃V-1㊃Oe-1,在ʃ15Gs磁场强度范围内,传感器线性程度很高
图10㊀TMR元件输出响应曲线
由于电流与磁场强度是线性关系,且2个相对聚磁结构对称位置的传感元件a和b,传感得到的磁场方向相反㊂因此,传感器a和b位置处的磁场满足如
下表达式:
Ha=0.2I+Hd
Hb=-0.2I+Hd
(2)
式中:Ha,Hb分别为传感元件a和b位置处的磁场;I为被测导线中的电流;Hd为外部干扰磁场㊂
由于2个传感元件位置较近,地球磁场或者外部
干扰磁场在2个传感元件位置处产生的分量可以认为是相同的㊂则输入电压为1V时,传感元件a和
b的输出电压(单位:mV)表达式为:
Va=4.4ˑ(0.2I+Hd)
Vb=4.4ˑ(-0.2I+Hd)
(3)传感器输出电压为
V0=Va-Vb=8.8ˑ0.2ˑI
洛克沙胂(4)
由式(4)可见,通过将2个传感元件构成梯度的方式,可以免除外界干扰磁场的影响㊂4.2㊀应用电路设计与测试
利用TMR元件构成的电流传感器模块如图11所示,电流导线分布于PCB的正面和背面,TMR元件位于PCB正面,其灵敏部位与待测电流导线的距离设定为固定值5mm㊂由于TMR元件输出信号较小,应用高精度仪表运算放大器将传感信号放大
图11㊀电路实物照片
表1为本文设计的TMR电流传感器模块实际测试结果㊂电流传感芯片在进行温度补偿和非线性补偿校正后读取的数据比校正前的数据精度有了明显的提高㊂在校正之后,电流测量误差在1%以内㊂电流传感器对小电流的测量误差稍大,原因是由于此时元件的噪声信号㊁放大电路的噪声和非线性相比测试信号不可忽略,引起测量误差㊂5㊀结束语
本文设计了一种具有聚磁结构的Z轴TMR元
件,并使用该TMR元件实现了一种电流测量方法,证实了TMR元件用于电流传感的可行性㊂在对测量数据进行温度补偿和线性补偿后,TMR电流传感器在目标测量范围内达到了1%的测量精度㊂(下转第86页)
力的测量精度㊂试验结果表明,所建系统能够成功实现对螺栓轴向应力的测量,应力测量不确定度约为1.2MPa㊂
参考文献:
[1]㊀江泽涛,朱士明.纵横波测已紧固螺栓轴向应力[J].应用声学,2000,19(1):16-21.
珠光膜[2]㊀GREOGRECE.Ultrasonicmethodfordetermingaxialstressinbolts[J].JournalofTesting&Evaluation,1986,14(5):253-259.
[3]㊀温志明,康向东.电测法测定螺纹联接预紧力[J].煤矿机械,2002(11):79-80.
[4]㊀CRECRAFTDI.Ultrasonicmeasurementofstresses[J].Ul⁃trasonics,1968,6(2):117-121.
[5]㊀BOMPANKF,HAACHVG.Ultrasonictestsintheevaluationofthestresslevelinconcreteprismsbasedontheacous⁃
toelasticity[J].Construction&BuildingMaterials,2018,162
风琴式导轨防护罩
(1):740-750.
[6]㊀HIRAOM,OGIH.ElectromagneticAcousticTransducers[M].2nded.Tokyo:SpringerJapan,2017:199-213.[7]㊀KAMYSHEVAV,MAKAROVSV,PASMANIKLA,etal.Generalizedcoefficientsformeasuringmechanicalstressesin
carbonandlow⁃alloyedsteelsbytheacoustoelasticitymethod
[J].RussianJournalofNondestructiveTesting,2017,53
(1):1-8.[8]㊀徐春广,李焕新,王俊峰.残余应力的超声横纵波检测方法[J].声学学报,2017(2):195-204.
[9]㊀丁旭,武新军.在役螺栓轴力电磁超声测量系统的研制[J].无损检测,2016,38(6):48-52.
[10]㊀储火,石小岗.螺栓轴力超声波测量技术中残余轴力的测量方法[J].精密成形工程,2017(1):119-124.[11]㊀徐春广,李骁,潘勤学,等.螺栓拉应力超声无损检测方法[J].应用声学,2014,33(2):102-106.
[12]㊀CARLSONJE,LUNDINP.Measurementoftheclampingforceappliedbyload⁃bearingboltsusingacombinationof
www.m227compressionandshearultrasonicwaves[C].2015IEEE
InternationalUltrasonicsSymposiumProceedings,2015.[13]㊀贾雪,王雪梅,甘文成.声弹性效应螺栓轴向应力标定试验研究[J].中国测试,2018(3):72-75.
[14]㊀赵贻玖,戴志坚,王厚军.基于压缩传感理论的随机等效采样信号的重构[J].仪器仪表学报,2011,32(2):247-251.
作者简介:甘文成(1994 ),硕士研究生,主要研究方向为嵌入式信号检测㊁处理技术,现代测控技术㊂
E⁃mail:1914439330@qq.com
王雪梅(1968 ),副教授,博士,主要研究方向为现
代测控技术及其在轨道交通中的应用研究,多传感
器信息融合及其应用研究,嵌入式信号检测㊁处理技
术㊂E⁃mail:xmwang2012@home.swjtu.edu.cn
(上接第26页)测试结果验证了TMR电流传感器在电流测量领域内具有较好的应用前景㊂
表1㊀TMR电流传感器测试数据
被测电流/A
补偿校正前补偿校正后
测试值/A误差/%测试值/A误差/%
6060.3540.5959.905-0.16
5050.2200.4449.853-0.29
4040.1390.3539.886-0.29
3030.0410.1429.971-0.10
2020.0100.0519.991-0.05
109.978-0.229.985-0.15
54.982-0.364.991-0.18
21.996-0.201.997-0.15
11.0040.400.996-0.40
0.50.5214.200.497-0.60
0.30.34113.670.297-1.00
0.250.29116.400.248-0.80
0.20.26130.500.198-1.00
0.150.22147.330.149-0.67
0.20.19797.000.099-1.00
参考文献:
[1]㊀柳焕章,王兴国,周泽昕,等.一种利用电流突变量采样值
的电流互感器饱和识别方法[J].电网技术,2016,40
(11):3574-3579.
[2]㊀刘志恒,段雄英,廖敏夫,等.罗氏线圈电子式电流互感器积分特性研究[J].电力自动化设备,2017,37(3):191-196.[3]㊀周越文,邓俊,文莹,等.基于霍尔电流传感器的电源监控系统设计[J].传感器与微系统,2015,34(10):54-56.[4]㊀范文涛,杨胜兵,薛冰.基于CAN总线的霍尔电流传感器设计[J].自动化与仪表,2017,32(3):13-16.[5]㊀惠延波,刘任波,王莉,等.一种基于TMR的地磁场测试平台设计[J].仪表技术与传感器,2018(10):103-山体滑坡监测系统
106,112.
[6]㊀SHEDEP,MANES.LeakageCurrentSensingTechniques[C]//ThirdInternationalConferenceonSensing,Signal
ProcessingandSecurity,Chennai:ICSSS,2017:181-185.[7]㊀吕华,刘明峰,曹江伟,等.隧道磁电阻(TMR)磁传感器的特性与应用[J].磁性材料及器件,2012,43(3):1-4,15.[8]㊀FREITASP,FERREIRAR,CARDOSOS.Spintronicsensors[J].ProceedingsoftheIEEE,2016,104(10):1894-1918.[9]㊀高俊,王劲东,仇福伟.基于隧道磁阻传感器的车辆探测器研究[J].仪器仪表学报,2017,38(8):2038-2046.
作者简介:李求洋(1988 ),工程师,博士,主要研究方向为磁传感器设计与测试㊂
E⁃mail:liqiuyang@epri.sgcc.com.cn
袁翔宇(1988 ),工程师,硕士,主要研究方向为精
密仪器试验检测分析㊂
E⁃mail:yuanxiangyu@epri.sgcc.com.cn

本文发布于:2024-09-22 18:23:51,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.17tex.com/tex/4/331438.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

标签:结构   磁场   聚磁   电流   方向   传感器
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
Copyright ©2019-2024 Comsenz Inc.Powered by © 易纺专利技术学习网 豫ICP备2022007602号 豫公网安备41160202000603 站长QQ:729038198 关于我们 投诉建议