专利名称：巨磁电阻传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到一种用于电流测量的传感器，尤其涉及一种通过电磁转换部件来测取电流值的巨磁电阻传感器。
在电子产品和输变电系统中通常需要使用电流测量设备，传统测量手段一般基于以下三种方法第一种利用欧姆法则，在被测电路上串联一已知电阻，然后根据电阻上的电压降来计算电流的大小；第二种使用互感线圈，通过闭合回路内磁通量变化感生的电流大小来计算电流大小；第三种使用霍尔元件，通过外加软磁心聚磁的方法测量电流。
通过串联一已知电阻测量电流的方法应用非常有限，一般在实验室等情况下采用。在高压、超高压输变电系统中，现在一般采用互感式电流传感器。此类传感器体积大、造价高，笨重，安装难度大，而且由于初级与次级不能相互隔离，绝缘难度大，容易引起爆炸，存在危险性。
在电力系统中使用的计量仪表如电度表，其核心部件就是电流传感器，现在通常采用穿心互感线圈感应来获取电流信号。这种方法具有可靠性，但是也存在体积大、造价高等缺点，另外测量量程有限制，通常电度表有不同量程供用户选择就是这个原因，当然有可以换档的电度表，但造价更高。
霍尔元件在电子产品及电流测量仪表等领域应用广泛，但是存在以下几个问题1)响应频率较低，在100KHz左右；2)霍尔元件输出的是电压信号，在高压、超高压测量时会受到干扰；3)霍尔元件测量的是垂直面内的磁场，在测量电流时，为了提高灵敏度，使更多的磁力线通过传感器，必须使用软磁芯聚磁。
本实用新型的目的在于提供一种方便，价廉而又可靠的巨磁电阻传感器，它尤其适用于高压、超高压系统，且可连续测量电流大小。
为了实现上述目的本实用新型提供一种巨磁电阻传感器，它采用惠斯凳桥式结构，四臂电阻为自旋阀结构的多层膜电阻，该电阻可产生巨磁电阻效应。
为了实现上述目的本实用新型进一步提供的巨磁电阻传感器，在所述的巨磁电阻传感器中的相对两臂的多层膜电阻周围有软磁材料，使被屏蔽的电阻对外界磁场不敏感，且对另外两臂电阻而言又有磁通会聚作用。
本实用新型由于采用上述结构，巨磁电阻具有对在某方向磁场发生巨大变化的特点，即巨磁电阻效应，因此电路灵敏度高，测试结果精度高，可用于高压和超高压系统中；并由于此电路为简单的惠斯凳桥式电路，电路结构简单，使用方便，造价低廉，电路可靠性好。另外由于使用软磁材料，增强了屏蔽和聚磁作用，使测试灵敏度提高2-100倍，因此此种结构的电流传感器具有很宽的电流测试范围。
图1为本实用新型的巨磁电阻传感器结构原理图图2为如图1所示的巨磁电阻传感器输出对外场的响应曲线图3为电流测试时传感器与电流的相对位置关系示意图图4为放大整流显示电路原理图图5为如图1所示的巨磁电阻传感器和图4所示的放大整流显示电路的工作电源
以下结合附图对本实用新型的巨磁电阻传感器具体实施例作进一步详细的说明。
本实用新型包括一个巨磁电阻(GMR)传感器，磁体及相应的放大整流显示电路。该传感器对外加磁场敏感，而通电导线周围产生一个与电流大小相关的磁场，因而该结构可以测量电流。
如图1所示该实用新型的巨磁电阻传感器采用惠斯凳桥式结构，其四臂电阻3、4为自旋阀结构的多层膜(膜厚为纳米量级)电阻。该电阻3、4具有在某方向磁场作用下发生巨大变化的特点，即巨磁电阻(GMR)效应。配合以适当的工作线路，则这种电阻变化可转化为电压或电流变化，进而显示为测试电流的值。同时，为增加对微小电流的测试灵敏度。我们的巨磁电阻传感器中还采用了磁屏蔽和聚磁通技术。即用软磁材料5将桥式结构相对两臂的屏蔽电阻4屏蔽，使被屏蔽的电阻对外界磁场不敏感。通过合理的布局(见下述)，则磁屏蔽体对另外两臂电阻而言，又有磁通会聚的作用，增强了外场对该两臂电阻的作用效果，也即增强了该传感器对外场的测试灵敏度。
该增强作用可通过选择不同的屏蔽材料及调整结构中的相对位置而予以调整。这种调整作用可使测试灵敏度提高2—100倍。因此这种结构的电流传感器具有很宽的电流测试范围，现在的水平是高至2000安培，还有进一步提高的余地。
该传感器对外场有较大的线形响应范围，但极低场下的线性与高场下的线性不一致，导致较大的测试误差。为实现电流计量的0安培要求，我们采用对传感器外加可产生偏置磁场的磁体方法，使其起始工作点移至高场线性区，得到了满意的效果。
所述磁体可为永磁体或通电导线。永磁体可以是各种结构，各种形状，对磁性能大小也没有具体的要求。但磁体的结构，大小及磁场大小决定了磁体相对于传感器的位置。该位置结合仪表监视传感器在通电情况下的输出信号确定。对于通电导线，其方向，位置及电流的大小用同上的方法确定。
调整偏置磁场的大小，可以使该传感器适应交直流测试的要求。
该传感器对外加的响应有方向的要求，即存在磁敏感轴6(如图1所示)。因此要求测试电流时电流的流向8应接近垂直于传感器的敏感轴6方向，则电流产生的磁场近似沿磁敏感轴6方向。
巨磁电阻(GMR)传感器为有源器件，为将其电阻随外场的变化转化为电压信号输出，必须为它提供工作电压或电流。如图1所示巨磁电阻传感器采用半导体工艺集成，它为惠斯凳电桥电路结构，四个臂上的电阻3、4依次串联。在其中相对两端1、1’的输出端为工作电压或电流接入端，另外两端2、2’为传感器的信号输出端，特殊的场合下有软磁材料5，其沉积在传感器及磁路结构的附着基底10或覆盖在多层膜电阻结构之上。其作用对电阻4而言是磁屏蔽作用，使得屏蔽电阻4对于外场不敏感；而对于非屏蔽电阻3来说，则起到聚磁通的作用，即放大了外磁场对非屏蔽电阻3的作用，增强了传感器对外场的灵敏性，也即增强了传感器测试小电流的能力。调整软磁材料5与非屏蔽电阻3之间的距离d，可改变聚磁通对电阻的作用效果。该调整作用与较多因素有关，但大致可估算为图上b与d的比值。从而调整传感器对电流的测试范围。只有外磁场在传感器的敏感轴方向6存在不为零的分量时，传感器才有相应的输出响应。传感器的附着基底10大小为436μm×3370μm。
图2为传感器输出电压对外加磁场的响应曲线，图中外加偏置磁场H’，可保证输出电压与外场间(在图上H1、H2之间)呈线性关系。
图3为电流测试时传感器7与电流8间的相对位置。其中传感器7的敏感轴方向6与电流8相垂直，即电流8产生的磁场9的方向沿传感器的敏感轴6方向。
图4为放大整流显示电路。其中放大部分13、整流部分14和显示部分15依次串联。需要说明的是，该电路用于交流测试时，需将图中各开关至于交流档AC位置，不需调零；当用于直流测试时，需将图中各开关至于直流档DC位置，需经调零电位器R0进行调零。
图5为巨磁电阻传感器和放大显示电路的工作电源。其中一输出端11为巨磁电阻传感器和具有A/D转换功能标准表的工作电源12，输出电压为9V，其接地端不能与电路其他部分共地；另一输出端输出电压为5V，为放大部份13和整流部分14提供工作电压。
以上设计能广泛地用于对大小电流的测试。具有非接触，测试灵敏度高，精度好的特点。尤其当用于大电流、高电压场合时，具有操作简单，安全的突出优点。是现用电流传感器的更新换代产品。
权利要求1.一种巨磁电阻传感器，其特征是，它采用惠斯凳桥式结构，四臂电阻(3、4)为自旋阀结构的多层膜电阻，该电阻(3、4)可产生巨磁电阻效应。
2.如权利要求1所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的巨磁电阻传感器还包括将桥式结构相对两臂的多层膜电阻屏蔽的软磁材料(5)，使被屏蔽的电阻对外界磁场不敏感，且对另外两臂电阻而言又有磁通会聚作用。
3.如权利要求1或2所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的巨磁电阻传感器还包括能产生外加偏置磁场的磁体。
4.如权利要求3所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的磁体为永磁体或通电导线。
5.如权利要求1或2所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的巨磁电阻传感器还包括放大整流显示电路，它包括可来回切换进行交流或直流测试的放大部份(13)、整流部份(14)和显示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串联。
6.如权利要求3所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的巨磁电阻传感器还包括放大整流显示电路，它包括可来回切换进行交流或直流测试的放大部份(13)、整流部份(14)和显示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串联。
7.如权利要求4所述的巨磁电阻传感器，其特征是所述的巨磁电阻传感器还包括放大整流显示电路，它包括可来回切换进行交流或直流测试的放大部份(13)、整流部份(14)和显示部份(15)，此三部份(13、14、15)依次串联。
专利摘要本实用新型涉及到一种用于电流测量的传感器,它采用惠斯凳桥式结构,四臂电阻为自旋阀结构的多层膜电阻,该电阻可产生巨磁电阻效应。在所述的巨磁电阻传感器中的相对两臂的多层膜电阻周围有软磁材料,使被屏蔽的电阻对外界磁场不敏感,且对另外两臂电阻而言又有磁通会聚作用。本实用新型电路灵敏度高,测试结果精度高,可用于高压和超高压系统中。
文档编号G01R19/00GK2466665SQ0120298
公开日2001年12月19日 申请日期2001年1月17日 优先权日2001年1月17日
发明者王林忠, 杜军, 曾荣伟, 肖又专, 库万军 申请人:深圳市华夏磁电子技术开发有限公司