一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片。

背景技术：

目前市场上电流检测多数采用电流互感器，该技术相对成熟，但其缺点也非常明显：由于基于安培定律和电磁感应定律，其只能测量交流信号；电感的引入，带来了系统的滞后效应，造成角差较大；磁芯是非线性元件，电流互感器在大电流和小电流时，比差较大；大电流时，磁芯容易饱和，导致测量失效。

磁传感器作为检测磁场的器件，正越来越多地被应用到电流检测领域。在导线周围，存在由电流产生的磁场，且磁场与被测电流呈线性关系，而磁传感器测量磁场，继而直接反应被测电流。

磁传感器包括霍尔传感器、MR传感器、磁通门传感器。目前霍尔传感器已经大批量使用，且容易和ASIC工艺集成，实现单芯片的电流传感器，应用到开环或者闭环电流传感器中。但是霍尔传感器的天然缺点是其温度特性较差，高温和低温下，其灵敏度差异巨大，导致霍尔电流传感器无法工作在宽温度范围的应用中。而磁通门的制造成本较高，且其信号处理电路相对复杂，整体成本较高，制约了其发展。

因此，研究低成本、直接检测磁场、处理电路简单的磁传感器，是当前电流传感器领域的一个难题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片，利用聚磁层，使内部的TMR传感器的灵敏方向垂直于其表面，感测铁芯气隙处的磁场，通过内部ASIC提供反馈电流，并将反馈电流信号读取出来，实现闭环型的电流测量。由于将TMR传感器和ASIC封装在了一个独立的封装体内，最大限度地减少了电流传感器芯片的外围器件，能减小系统的设计难度，提高装配效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片，包括TMR磁电阻桥，聚磁层、ASIC芯片、引线框架、键合引线及封装体；

所述TMR磁电阻桥由至少一个磁电阻桥臂构成，每个所述磁电阻桥臂由一个磁电阻结构成或者由多个磁电阻结串联构成；所述磁电阻结包括底部电极层、种子层、钉扎层、被钉扎层、隔离层、自由层、偏置层、保护层及顶部电极层；

所述聚磁层，用于使所述TMR磁电阻的灵敏方向垂直于所述TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的表面；

所述ASIC芯片与所述TMR磁电阻桥位于所述封装体内部。

在一些实施例中，所述聚磁层所用的材料相对磁导率高于3000。

在一些实施例中，所述聚磁层位于所述TMR磁电阻上方或者下方。

在一些实施例中，所述ASIC芯片具有电源转换电路、反馈电流控制模块、电压输出模块及自校准模块，所述自校准模块为一次性校准模块。

在一些实施例中，所述电源转换电路，用于自动识别供电电压，并且为所述ASIC芯片内的其他模块提供统一的供电电压。

在一些实施例中，所述反馈电流控制模块的输出电流正比于所述TMR磁电阻桥的输出电压。

在一些实施例中，所述电压输出模块，用于放大电压信号。

在一些实施例中，所述自动校准模块的输入信号为方波信号。

在一些实施例中，自动校准完毕后，所述的TMR和ASIC全集成电流传感器芯片输出电压为电源电压的一半。

在一些实施例中，所述TMR磁电阻桥和ASIC芯片通过所述键合引线电连接到所述引线框架上。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

TMR传感器作为电流传感器中的磁敏元件，温度稳定性好，灵敏度高。传感器灵敏方向垂直于芯片表面，有利于闭环电流传感器中磁芯气隙的减小，提高测量精度。具有自动校准的ASIC，简化了调试过程，提高装配效率。将TMR和ASIC全集成，能有效减少外围器件的使用，简化系统复杂度，降低成本。

附图说明

图1是根据本发明的一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的内部框图；

图2是磁电阻隧道结的基本薄膜结构；

图3是Z轴灵敏的传感器中使用的聚磁结构；

图4是桥式结构的TMR传感器电气图；

图5是桥式结构的TMR传感器输出曲线图；

图6是一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的应用电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的内部框图如图1所示，其中包括用于检测外部磁场的TMR传感器101；电源转换电路102能识别芯片供电是3.3V还是5V，并且为芯片内其他元件提供统一的供电电压比如2.8V；反馈电流控制模块103将TMR传感器101的输出电压转换成电流，并且通过芯片的引脚输出；电压输出模块105将外部的电流信号转换成芯片的输出信号，并从芯片的电压输出端106输出；自动校准模块104能够实现系统的自动校准，使当被测电流为零时，芯片的输出电压为固定值，比如电源电压的一半。

TMR传感器的最小结构单元是磁电阻隧道结，如图2所示。磁电阻隧道结采用的是三层膜结构，包括自由层201，其由高磁导率的材料构成，如NiFe等，其磁化强度的方向202随着外界磁场的大小和方向变化；中间层是隧道层203，由非磁性氧化物构成，如氧化镁、氧化铝等，由于其厚度非常薄，当其两边为导体材料并且有电势差时，会发生隧穿；下面层的钉扎层，其磁化强度的方向205在交换作用下被固定。自由层201和钉扎层205分别具有引脚206和207，由此构成磁电阻隧道结。将多个磁电阻隧道结进行串并联，即可得到一个磁电阻。

在闭环电流传感器中，磁芯的气隙很短，且磁场方向沿着气隙方向，需要将传感器的灵敏方向设计为垂直与芯片表面。由于TMR效应是平面效应，TMR传感器的灵敏方向平行于芯片表面。因此，需要用聚磁层改变磁场的方向，使垂直方向的外加磁场，转换成水平方向的外加磁场，原理图如图3所示。其中301为聚磁层，其是用高导磁材料电镀在芯片上的一层厚膜。302和303是两个磁电阻，其灵敏方向为图中箭头305。外加磁场的方向304垂直于磁电阻302和303，在聚磁层301的作用下，在磁电阻302和303位置处，分别具有方向为306和307的磁场。根据磁电阻效应，磁电阻302和303具有不同的电阻值，若将他们构成桥式电路，那么桥式电路将具有输出电压，且输出电压随着外加磁场的变化而变化。

图4是桥式结构的TMR传感器电气图，其由四个磁电阻和四个电气端子构成。在聚磁层的作用下，磁电阻402，404，406，408位置处的磁场方向分别为403，405，407，409。从图中可见，四个磁电阻处的磁场方向不同，而四个磁电阻的灵敏方向相同，于是构成了全桥结构。

图5是图4中全桥结构的输出曲线，其中横坐标是外加磁场，纵坐标是输出电压Vo，Vo=(V+)-(V-)。输出曲线501分成线性区和饱和区，当外加磁场介于502和503之间时，输出电压处于线性区，输出电压正比于外加磁场；在除了502和503之间的区域之外，输出电压的变化趋于平缓，传感器进入饱和区。在实际应用时，传感器位于线性区。

图6是TMR和ASIC全集成电流传感器芯片的应用电路图。当导线601存在方向为图中箭头602的被测电流时，在磁芯603的气隙604处，会存在方向为605的磁场。TMR传感器606检测到该磁场，并以电压的形式输出到反馈电流控制模块607。反馈电流控制模块607输出电流信号，电流流经反馈线圈608和反馈采样电阻609。由于反馈线圈608是绕制在磁芯603上的，反馈线圈608的电流在气隙604处，会产生方向为610的磁场，且该磁场会抵消导线601产生的磁场，导致TMR传感器606位置的磁场减小。由于反馈电流控制模块607的增益较大，且反馈线圈608的匝数远远大于导线601，系统就具有非常大的反馈深度。当系统达到平衡时，磁场605和610的绝对值相仿，TMR传感器606位置磁场较小，能确保TMR传感器606工作在线性区。

当系统达到平衡时，反馈电阻609具有恒定的反馈电流I，电压输出模块611通过检测反馈电阻609上的电压，提取反馈电流I的信息，并且从电压输出端口106输出来。由于TMR元件、集成电路以及磁芯的工艺、安装偏差，系统的输出电压会存在零位漂移，即当被测电流为零时，系统输出电压偏离预设的值（一般预设值为2.5V或者1.25V）。

在本发明中，提出了自动校准的功能，当被测电流为零时，通过向电压输出端口106写入特定频率的方波信号，自动校准模块612会启动自动校准功能，通过改变电压输出模块611的参考电压，使得系统输出电压为预设的值。由于电流传感器一旦装配完毕，一般不会重新拆解再安装，因此，本发明提出的自动校准功能是一次性烧录的，与使用MCU相比，具有成本低，系统简单的优点。

本发明用真空镀膜的刻蚀的方法，形成磁电阻隧道结，再用MEMS工艺，实现磁电阻隧道结的互联，以构成TMR传感器。再TMR传感器上部电镀高磁导率的聚磁层，用于改变TMR传感器的灵敏度方向。利用集成电路设计软件，设计信号处理电路，功能包括信号转换、电流输出、电压测量、电压放大、自动校准，利用集成电路工艺进行流片。再用多芯片封装的工艺，将TMR传感器和ASIC封装在一个封装体内，即构成了TMR和ASIC全集成电流传感器芯片。