专利名称：锑－铟系化合物半导体磁阻式电流传感器及电流传感方法
技术领域：
本发明是锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器及电流传感方法，属电子器件技术，特别涉及传感器制作技术。
现在市售的用磁阻芯片制造的电流传感器是采用镍铁-镍钴合金薄膜磁阻芯片的。由于这种磁阻芯片的灵敏度比较低，而且还有当磁场增大到一定程度时，磁阻效应易出现饱和等的缺点，这样既需要比较强的电流才能感应出一定的输出电压，而又需要防止电流太大时出现饱和。它通常测量的只是1A以上至20A的大电流，而在实际应用中，往往要监测1A以下甚至0.1A以下的弱电流，因此，小电流场合并不实用。而且这种传感器的结构中如果要加偏磁的话，在装配时应使磁力线平行于磁阻芯片表面，这给制造过程中装配偏磁磁体带来一定困难。
本发明的目的就是为了克服和解决现有的磁阻电流传感器存在灵敏度低、易饱和、使得既需较大电流才能感应出一定电压、又需防止过大电流出现饱和、小电流场合并不实用、且制造中装配偏磁较困难等的缺点和问题，研究、发明一种灵敏度高、磁阻效应明显、不易饱和、适于微弱电流场合使用、更适用于检测小于1A电流的体积小、重量轻、结构牢固紧凑、使用寿命长的锑-铟系化合物半导体磁阻式传感器及电流传感方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器的内部结构示意图如
图1和图2所示，电流传感方法作用原理图如图3所示。本电流传感器由锑-铟系化合物半导体磁阻芯片1、导线2、永磁体3、铁磁性物质薄片4、用来支承磁阻芯片的基片5共同相互联结构成，其相互联结关系为磁阻芯片1通过粘结剂或常规真空蒸镀、溅射方法固定在基片5上(合称为磁阻元件)，基片5通过粘结剂与铁磁性物质薄片4粘合，铁磁性物质薄片4通过粘结剂与永磁体3粘合，导线2整根横跨磁阻芯片1，即整根横跨于并平行于磁阻芯片1表面或背面，并可二根导线或多根导线并联，且只其中一根导线横跨磁阻芯片，其余可绕过磁阻芯片。其作用原理及电流传感方法为锑-铟系化合物半导体的磁阻特性曲线如图3所示的抛物线曲线。图3中RB和RO分别是有磁场和无磁场时磁阻元件的电阻值，B(T)为外加磁场。由图3可见，RB/RO的值是随B(T)值的变化呈抛物线规律而变化的。一般认为，B(T)增大到一定值时，RB/RO与B(T)呈一次函数关系。本发明的关键，即锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感方法是选取引起RB/RO与B(T)的关系由二次函数关系向一次函数关系渐变的那个范围内的B(T)值作为电流传感器的工作点，这个工作点是由永磁体3提供一个偏磁场而实现的，假设在图3的B1点。当外加电压稳定时，输出信号(电压或电流)也是稳定的，如果在输入端施加一个信号A，随之会在输出端获得输出信号B。把图1中导线2与外部被测电路联接且被测电流流过导线2时，该电流会在导线的周围空间产生磁场，这个磁场与永磁体3提供的偏磁场相迭加或相减，使工作点改变，输出电压或电流也随之改变，假设由B1向B2处移动，由于抛物线在①点和②点的斜率是不同的，处于由二次函数向一次函数渐变阶段，对相应于与A相等的输入信号C，其相应输出信号D与原先的输出信号B不同，当新的工作点落在抛物线的上升段时，②点的斜率远大于①点的斜率，因此，输出信号增强；可见，在有偏磁场存在时，只要导线2中电流有变化，在磁阻元件的输出端就会有一个变化的信号；实验结果和理论分析都可证实，只要工作点选择恰当，对于各种形状的锑-铟系合物半导体磁阻芯片和各种粗细的导线2，从磁阻元件输出端获得的输出电压或电流总是与流过导线2的电流基本成正比例近线性关系。锑-铟系化合物半导体的分子表达式为InSb1-xAsx(x=0～1)，其两种极端情况是当x=0时，则为锑化铟(InSb)；当x=1时，则为砷化铟(InAs)，其它情况则是三元的锑砷化铟(In-Sb-As化合物)。由于锑-铟系化合物半导体的磁阻效应比镍铁-镍钴材料磁阻效应高出许多倍，可以选择合适的锑-铟系化合物半导体材料制作磁阻元件。因此，按本发明可以制成能检测导线2中流过的、也即是外部被测电路中的毫安级以上的弱小电流，这样就扩展了这类传感器应用场合。
为了增大电流传感器的检测范围，可以增加一条一定粗细的导线6，它是与导线2并联的，但并不横跨磁阻芯片1，如图2所示。这样可使外电路的被检测电流一部分流过导线2，另一部分流过导线6，它们二者的电流强度是与导线2、6的横截面积有关的。比如导线6的横截面积是导线2的横截面积的9倍时，可以使检测量程扩展到10倍。在实际应用中，导线6是一根或多根导线。
本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果(1)用本发明可以制成检测被测电路中的毫安级以上的弱小电流的、灵敏度高的半导体磁阻式电流传感器，并可以大大扩展此类电流传感器的应用场合；(2)用本发明可制成体积小、重量轻、结构牢固紧凑、使用寿命长的半导体磁阻式电流传感器；(3)由于锑-铟系化合物半导体的特性有所不同，或者有较高的载流子迁移率，或者有较高的温度稳定性，或者在制作时易于获得较完美的晶体，因此，制作本发明的磁阻式电流传感器时都可以依使用要求而适当选取；(4)用本发明制造半导体磁阻式电流传感器，只要用常规的方法便能容易制造，且本半导体磁阻式电流传感器的结构特征具有缩小面积和使装配容易等优点。
下面对说明书附图进一步说明如下图1为锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器内部结构示意图，图2为增加并联导线扩大检测范围的锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器的内部结构示意图，图3为锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感方法作用原理图。
本半导体磁阻式电流传感器的实施方式可为如下按图1～图2所示，并按上面说明书所述的连结关系进行设计、选材、制造、连结装配本电流传感器(1)基片5上的磁阻芯片1是薄膜型或单晶型，薄膜型芯片1可以用常规使用的真空热蒸镀和各种溅射的可行方法制成，而单晶型可用常用的研磨减薄方法制成，但用薄膜型磁阻芯片有更高的灵敏度；磁阻芯片可按不同使用要求而制成各种不同形状并可构成多端型输出形式，磁阻芯片可选用如锑化铟、砷化铟等锑-铟系二元化合物以及如锑砷化铟的锑-铟系三元化合物半导体材料，或如镓铟砷四元锑-铟系化合物半导体材料来制造；(2)永磁体3是为了给磁阻芯片提供一个偏磁场，因此它的形体和材料可为各种形体和不同材料，只需用传统烧结加工方法加工制造。装配时要求永磁体3装置于磁阻芯片1与基片5组合的磁阻元件的正下方或正上方，并用S极或N极面向磁阻元件都可以，只是要求它的磁力线尽可能垂直地穿过磁阻芯片表面；(3)夹在基片5与永磁体3之间的铁磁性物质薄片4起到调整由永磁体3提供的偏磁场强度的作用，实际上它调整了磁阻元件的工作点，而且对导线2产生的空间磁场起到聚集的作用。铁磁性物质薄片4也只需用传统的压制加工方法加工制造；(4)基片5可用硅片、微晶玻璃片、云母片等单晶或多晶材料；(5)按上面说明书所述的各部件相互连结关系进行联结粘牢，再套入其外壳中，并注入环氧树脂以增加牢固度和防潮性能，就能较好地实施本发明。
发明人经长期的研究，已用锑化铟、砷化铟二元化合物和锑砷铟三元化合物以及镓铟砷锑四元化合物半导体磁阻元件制成了本发明的磁阻式电流传感器，结果表明制造容易、灵敏度高、稳定性好、效果显著。下面仅选几个实例表示于表1。
表权利要求
1.一种锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器，其特征在于它由锑-铟系化合物磁阻半导体磁阻芯片(1)、导线(2)、永磁体(3)、铁磁性物质薄片(4)、用来支承磁阻芯片的基片(5)共同相互联结构成，其相互联结关系为磁阻芯片(1)通过粘结剂或真空蒸镀、溅射方法固定在基片(5)上，基片(5)通过粘结剂与铁磁性物质薄片(4)粘合，铁磁性物质薄片(4)通过粘结剂与永磁体(3)粘合，导线(2)整根横跨磁阻芯片(1)。
2.按权利要求1所述的锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器，其特征在于所述的磁阻芯片(1)是用如锑化铟、砷化铟二元锑-铟系化合物半导体材料以及如锑砷铟三元锑-铟系化合物半导体材料制成薄膜型或单晶型各种形状、多端型磁阻芯片。
3.按权利要求1所述的锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器，其特征在于所述的导线(2)是整根横跨于并平行于磁阻芯片(1)表面或背面，并可以二根导线或多根导线并联，且只其中一根导线横跨磁阻芯片，其余可绕过磁阻芯片。
4.按权利要求1所述的锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感器，其特征在于所述的永磁体(3)必须装置于磁阻芯片(1)与基片(5)组合的磁阻元件的正下方或正上方，让磁力线垂直地穿过磁芯片表面。
5.一种锑-铟系化合物半导体磁阻式电流传感方法，其特征在于它是选取引起灵敏度RB/RO与B(T)的关系由二次函数关系向一次函数关系渐变的那个范围内的B(T)值作为电流传感器的工作点，当外加电压稳定时，输出信号(电压或电流)稳定，如果在输入端施加一个信号A，随之会在输出端获得输出信号B；导线(2)与外部被测电路联接且被测电流流过导线(2)时，该电流会在导线的周围空间产生磁场，这个磁场与永磁体(3)提供的偏磁场相迭加或相减，使工作点改变，输出电压或电流也随之改变，假设由B1向B2处移动，由于抛物线在①点和②点的斜率是不同的，处于由二次函数向一次函数渐变阶段，对相应于与A相等的输入信号C，其相应输出信号D与原先的输出信号B不同，当新的工作点落在抛物线的上升段时，②点的斜率远大于①点的斜率，因此，输出信号增强，在有偏磁场存在时，只要导线(2)中电流有变化，在磁阻元件的输出端就会有一个变化的信号，从磁阻元件输出端获得的输出电压或电流总是与流过导线2的电流基本成正比例近线性关系。
全文摘要
本发明是锑－铟系化合物半导体磁阻式电流传感器及电流传感方法。它由磁阻芯片、导线、永磁体、铁磁性薄片、基片连接构成,其连结关系为芯片粘固于基片上,基片与铁磁薄片粘结,铁磁性薄片与永磁体粘结,导线一根横跨芯片与其它绕过磁阻元件导线并联。电流传感方法是选取由二次向一次函数渐变的范围作为工作点,导线与被测电路连接并流过电流时,该电流会在导线周围产生磁场,与永磁体提供的偏磁场相加减而改变工作点,传感器输出电压或电流与流过导线电流成正比例近线性关系。本传感器尤其适用于弱小电流场合,灵敏度高、稳定性好、易于制造。
文档编号G01R15/14GK1235276SQ99116198
公开日1999年11月17日 申请日期1999年5月21日 优先权日1999年5月21日
发明者黄钊洪 申请人:华南师范大学