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(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司 國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)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(fù)雜程度的日益提高，對(duì)電能的測(cè)量也趨于精細(xì)化，這就需要提高電流測(cè)量的精度，特別是對(duì)于目前猖獗的竊電行為，只有高精度的電流測(cè)量能力，才能有效檢測(cè)并減少該行為的發(fā)生[1]；同時(shí)，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(hào)的信息也是傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)方面[2]。隨著電網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)的鋪開(kāi)，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(gè)目前較為急迫的課題。

對(duì)電流進(jìn)行測(cè)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(shì)在于成本非常低廉，但是缺點(diǎn)也非常明顯：大電流時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重、測(cè)量端和被測(cè)量端沒(méi)有電氣隔離，從而使得電力系統(tǒng)中無(wú)法使用該方法進(jìn)行高壓大電流的測(cè)量;

(2)電流互感器，其為目前被廣泛采用的測(cè)量電流的元件，只能測(cè)量交流的電流。由于電感的存在，輸出信號(hào)和被測(cè)電流信號(hào)之間存在信號(hào)相位的偏差。在較大電流下，非線性誤差較大，電流測(cè)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(fēng)險(xiǎn)，因此需要專門對(duì)磁芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且加上必要的保護(hù)電路[3-4];

(3)光學(xué)電流互感器，利用光學(xué)原理，該互感器解決了磁芯帶來(lái)的困擾，但存在溫漂大、穩(wěn)定性差和易受電磁干擾的問(wèn)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(wú)磁芯的結(jié)構(gòu)，在非磁性材料的骨架上繞制空心螺線管。由于沒(méi)有磁性材料的使用，羅氏線圈具有抗外界干擾、響應(yīng)快、不飽和的特點(diǎn)[6-8]。但羅氏線圈在制作上較為繁瑣，對(duì)繞制精度有一定的要求，且不能測(cè)量直流電流;

(5)霍爾器件，此利用霍爾效應(yīng)直接測(cè)量被測(cè)導(dǎo)線附近的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)信息包含了電流中的所有物理量，因此是最直接的電流測(cè)量方法，有效克服了線圈類傳感器的測(cè)量頻段問(wèn)題[9-10]。此外霍爾傳感器直接用電壓或者電流驅(qū)動(dòng)，電路簡(jiǎn)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(gòu)建的電流傳感器也已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用[12]。但是霍爾器件溫度特性較差，需要復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路。

TMR元件與霍爾元件一樣，直接測(cè)量磁場(chǎng)，可以得到被測(cè)電流中所有的物理量。同時(shí)，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(diǎn)，在電流測(cè)量領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力[13-14]。文中結(jié)合電流傳感器的應(yīng)用要求，闡述了TMR元件的原理，電流傳感器中TMR元件的設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了開(kāi)環(huán)電流傳感器。

1 電流檢測(cè)原理與設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)特殊形狀的導(dǎo)線，使導(dǎo)線附近存在兩個(gè)位置，此兩個(gè)位置磁場(chǎng)大小相等，方向相反，且磁場(chǎng)大小正比于導(dǎo)線中的電流大小。線性TMR元件的輸出電壓正比于外加磁場(chǎng)，將兩個(gè)TMR元件放置于上述兩個(gè)位置，即可形成梯度結(jié)構(gòu)的電流傳感器。下面從TMR元件設(shè)計(jì)開(kāi)始，闡述整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.1 TMR元件設(shè)計(jì)

TMR元件的最小結(jié)構(gòu)單元是磁隧道結(jié)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本結(jié)構(gòu)是三層膜結(jié)構(gòu)，隧道層兩側(cè)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(shí)現(xiàn)磁矩的釘扎。隧道層是埃米級(jí)厚度的鎂或鋁的氧化物，可被隧穿。自由層是高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，其磁化方向受外界磁場(chǎng)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(jié)的磁電阻R。

圖1 磁隧道結(jié)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of magnetic tunneling junction

對(duì)于隧道結(jié)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(cè)磁場(chǎng)提供的能量、偏置磁場(chǎng)提供的能量、退磁場(chǎng)能以及各向異性能。如圖2所示，當(dāng)有被測(cè)磁場(chǎng)Ha時(shí)，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(guān)的常數(shù)，(由于篇幅有限，在此不對(duì)θ進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，僅給出最終靈敏度測(cè)試結(jié)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(guò)測(cè)量磁電阻R的值，即可計(jì)算出外界磁場(chǎng)的大小，繼而推算出被測(cè)電流的信息。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將四個(gè)靈敏方向不同的電阻電氣連接成橋式結(jié)構(gòu)，橋式結(jié)構(gòu)的輸出電壓與外界磁場(chǎng)成線性關(guān)系。橋式結(jié)構(gòu)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(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，差分輸出信號(hào)(V+)-(V-)的曲線如右圖所示。此電路的特點(diǎn)是：輸出信號(hào)是線性信號(hào)。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)(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(chǎng)分布仿真

當(dāng)有電流流過(guò)通電導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍就會(huì)存在磁場(chǎng)，將TMR元件放置于某一位置，即可測(cè)量出導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小與方向，進(jìn)而推算出電流大小和方向。設(shè)計(jì)了一種類似U形的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生兩個(gè)位置，在這兩個(gè)位置處，磁場(chǎng)大小相等，方向相反。通電導(dǎo)線如圖4所示，其中整個(gè)方框是有限元仿真的邊界，方框內(nèi)部是通電導(dǎo)線，電流方向如圖中箭頭所示。在中小電流測(cè)量應(yīng)用中，一般電流量小于50 A，論文用針對(duì)50 A的電流測(cè)量應(yīng)用，展開(kāi)基于TMR元件的電流傳感器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

圖4 通電導(dǎo)線結(jié)構(gòu)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(dǎo)線的平面為視角，繪制的磁場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，在x軸方向，通電導(dǎo)線的兩側(cè)具有方向相反的磁場(chǎng)。如果將兩個(gè)TMR元件分別放置在通電導(dǎo)線兩側(cè)，如圖6中箭頭起點(diǎn)位置所指，這兩個(gè)傳感器將組成梯度的結(jié)構(gòu)，在測(cè)量通電導(dǎo)線的磁場(chǎng)的同時(shí)，免除外界均衡磁場(chǎng)的干擾(如地磁場(chǎng))。

圖5 施加電流50 A時(shí)，導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic field distribution when 50 A current is applied

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

在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器不可能位于通電導(dǎo)線的表面，而是位于通電導(dǎo)線上方的某個(gè)位置。在通電導(dǎo)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(dǎo)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(chǎng)的磁力線，A和B分別為文中使用的導(dǎo)線的兩個(gè)截面，截面的長(zhǎng)和寬分別為7 mm和3 mm，兩導(dǎo)線間距為2 mm。下面考察當(dāng)傳感器和導(dǎo)線間距為1.5 mm時(shí)，如何選擇傳感器的水平位置。

圖7 導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)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(chǎng)分量，該直線距離導(dǎo)線1.5 mm，其中水平位置零點(diǎn)即兩個(gè)傳感器的中點(diǎn)位置。從圖中可見(jiàn)，在5 mm和-5 mm處，磁場(chǎng)具有極值，絕對(duì)值為10 Gs左右。因此，兩個(gè)傳感器的最佳間距為10 mm。此外，為了得到較高的電流測(cè)量精度，TMR元件的線性工作范圍應(yīng)大于10 Gs。

由于電流與磁場(chǎng)是線性關(guān)系，且兩個(gè)傳感器處電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，因此，兩個(gè)傳感器位置處的磁場(chǎng)滿足下面表達(dá)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(chǎng)，I為導(dǎo)線中電流，Hdistube外部干擾磁場(chǎng)，由于兩個(gè)傳感器位置較近，地球磁場(chǎng)或者外部干擾磁場(chǎng)在兩個(gè)傳感器位置處產(chǎn)生的分量可以認(rèn)為是一致的。

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

1.3 TMR元件的制備和測(cè)試

TMR元件的制備過(guò)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(jié)；再在上電極層構(gòu)建電氣互連結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)的互連，以構(gòu)成磁電阻；將裸晶圓放置在引線框上，對(duì)位安裝、打線、注塑、脫模，最終形成封裝好的TMR元件。磁隧道結(jié)的膜層體系為IrMn/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO/ CoFeB/NiFe/Ta,磁隧道結(jié)尺寸為4 μm×20 μm，每一個(gè)磁電阻(圖3中的R1～R4)具有300個(gè)磁隧道結(jié)。

圖9是實(shí)際研制的TMR元件隨外加磁場(chǎng)的響應(yīng)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(yuǎn)高于霍爾元件。在15 Gs以內(nèi)，其線性度非常好。此外，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，offset電壓為1%Vcc，說(shuō)明工藝一致性比較好。

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

結(jié)合式(2)和式(3)，可得傳感器a和b的輸出電壓表達(dá)式為：(輸入電壓為1 V，輸出電壓?jiǎn)挝粸閙V)

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(jiàn)，通過(guò)將兩個(gè)傳感器構(gòu)成梯度的方式，可以免除外界干擾磁場(chǎng)的影響。

2 電流傳感器構(gòu)建和性能測(cè)試

圖10是利用TMR元件構(gòu)成的開(kāi)環(huán)電流傳感器模塊，其中電流導(dǎo)線位于PCB背面，兩個(gè)TMR元件位于PCB正面，在放置TMR元件時(shí)，需保證TMR元件的靈敏部位關(guān)于電流導(dǎo)線對(duì)稱分布，兩個(gè)TMR元件的間距為10 mm。由于TMR元件本身信號(hào)較小，為了使系統(tǒng)能夠識(shí)別器信號(hào)，需要用運(yùn)放將傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，為了消除運(yùn)放帶來(lái)的非線性，選擇了高精度的儀表運(yùn)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(cè)量結(jié)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(shí)際測(cè)試結(jié)果，從表中可以看出，電流測(cè)量誤差在1%以內(nèi)。

其中小電流時(shí)的誤差稍大，其原因可能為：當(dāng)電流很小時(shí)，TMR元件位置處的磁場(chǎng)很小，此時(shí)元件的噪聲信號(hào)、放大電路的噪聲和非線性不可忽略，引起測(cè)量誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(gòu)建的電流傳感器模塊，在50 A的電流范圍內(nèi)，測(cè)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(dāng)被測(cè)電流較小時(shí)，測(cè)量精度有所下降，使得在微小電流測(cè)量時(shí)，精度可能會(huì)達(dá)不到要求，需要從TMR元件本底噪聲、電子回路噪聲方面去進(jìn)行研究。目前基于TMR元件的電流傳感器尚未得到大量開(kāi)發(fā)，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，還需要對(duì)TMR電流傳感器的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。