磁场电流传感器、传感器系统和方法
【技术领域】
[0001] 实施例一般涉及电流传感器，并且更特别地涉及用于经由相关磁场感测导体中的 电流流动的无芯磁场传感器、系统和方法。
【背景技术】
[0002] 当前传感器用在多种多样的应用和工业中。传感器可以包括用来检测与在导体中 流动的电流相关的磁场并基于场测量推断电流的磁场传感器。磁场传感器可以包括霍尔效 应传感器或磁阻（MR)传感器，所述霍尔效应传感器包括普通霍尔平板或垂直霍尔传感器， 所述磁阻（MR)传感尤其诸如是巨磁阻器（GMR)、隧穿磁阻器（TMR)、各向异性磁阻器（AMR) 和超巨磁阻器（CMR)。一般说来，MR是其中电阻响应于所施加的磁场而改变的器件。
[0003] 许多常规磁场电流传感器包括其中电流由可渗透的磁部分引导的磁芯。最接近 芯布置的磁场传感器元件可以通过感测由此感应的磁场来检测电流。这些传感器的缺点 包括由于在芯中的磁损耗而导致的热生成、增加的制造成本、大的大小、增加的重量和低性 能。附加地，在常规电流传感器中，导体通常由非导电涂层加上可以用作接地屏蔽的导线来 覆盖。这些涂层(例如软弹性体）具有拙劣限定的几何形状，其可能导致在电流测量中的误 差。这些传感器的其他缺点包括对背景干扰的受限的抑制，其也可能导致在测量的电流的 准确度中的降低。
【发明内容】
[0004] 实施例涉及用来经由相关的磁场感测在导体中的电流流动的无芯磁场电流传感 器、系统和方法，诸如磁阻传感器、系统和方法。在实施例中，用于从由导体中的电流感应的 磁场感测导体中的电流的电流传感器系统，包括：多个（N个)磁阻(MR)传感器，在与导体的 中心同中心的圆上布置且与彼此分隔开360度/N，其中每一个MR传感器具有敏感性平面 且响应于磁场在敏感性平面中的投影，多个MR传感器的敏感性平面是平行的，以及其中多 个MR传感器相对于导体布置，使得磁场具有平行于敏感性平面的非零分量；至少一个磁元 件，被布置为提供在多个MR传感器上的偏置磁场；以及耦合到多个MR传感器的电路，用来 通过组合来自多个MR传感器中的每一个的信号来确定导体中的电流的至少一个参数。 [0005] 在实施例中，一种方法包括：最接近导体布置传感器系统，传感器系统包括多个 (N个）磁阻（MR)传感器，在与导体的中心同中心的圆上布置且与彼此分隔开360度/N;提 供在多个MR传感器上的偏置磁场；使电流在导体中流动；以及感测由电流感应并作用于多 个MR传感器中的每一个的磁场；以及通过组合与来自多个MR传感器中的每一个的磁场相 关的信号来估计导体中的电流的至少一个参数。
【附图说明】
[0006] 在考虑以下结合附图的本发明的各种实施例的详细描述的情况下，本发明可以被 更完全地理解，在所述附图中： 图1是根据实施例的传感器系统和导体的透视图。
[0007] 图2是图1的传感器系统和导体的俯视图。
[0008] 图3是图1的传感器系统和导体的侧视图。
[0009] 图4是根据实施例的传感器系统和导体的透视图。
[0010] 图5是根据实施例的传感器系统和导体的侧视图。
[0011] 图6是根据实施例的传感器系统和导体的透视图。
[0012] 图7是根据实施例的传感器系统和导体的透视图。
[0013] 图8是根据实施例的磁阻器的半桥电路的示意图。
[0014] 图9是根据实施例的传感器系统和导体的附视图。
[0015] 图10A是根据实施例的传感器系统和导体的俯视图。
[0016] 图10B是根据实施例的传感器系统和导体的俯视图。
[0017] 图11A是根据实施例的传感器系统和导体的俯视图。
[0018] 图11B是根据实施例的传感器系统和导体的俯视图。
[0019] 图12A是根据实施例的传感器和导体布置的侧视图。
[0020] 图12B是图12A的布置的俯视图。
[0021] 图12C是图12A的布置的部分的透明俯视图。
[0022] 图13是根据实施例的传感器系统和导体的俯视图。
[0023] 图14是根据实施例的传感器系统的俯视图。
[0024] 图15是根据实施例的流程图。
[0025] 尽管本发明对于各种修改和替换形式是应服从的，但其细节已经通过示例的方式 在附图中被示出并将被详细描述。然而，应当理解的是，本发明将不将本发明限制于所描述 的特别的实施例。相反，本发明将覆盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围 内的所有修改、等效形式和替换。
【具体实施方式】
[0026] 实施例涉及无芯磁场电流传感器、传感器系统和方法，其可以最接近导体布置以 通过由电流流动感应的磁场来确定导体中的电流流动的参数。在一些实施例中，传感器可 以是高电流传感器，能够感测约1安培（A)到约100kA或更多的范围内的电流。实施例可 以包括磁阻器和磁阻传感器。
[0027] 在实施例中，传感器系统包括：包含至少一个小孔的支撑结构，可以穿过小孔布置 导体，以及至少两个传感器和相对于导体的位置轴在支撑结构上布置的磁元件。在实施例 中，磁元件(其可以用来抵消同质干扰场）被配置为将偏置磁场施加至至少两个传感器。在 实施例中，传感器系统可还包括配置为检测偏置磁场强度的至少一个场检测传感器。在实 施例中，传感器系统可还包括配置为测量磁元件的温度的至少温度传感器。例如，在一个实 施例中，表示磁场角度的与至少两个传感器中的每一个相关的输出信号可以用来通过计算 所测量的自偏置场的角度偏移的平均来推断导体中的电流。
[0028] 在实施例中，传感器可包括霍尔效应传感器(例如，普通霍尔平板或垂直霍尔效 应传感器）或者磁阻（MR)传感器或传感器元件，诸如磁阻（MR)传感器，尤其诸如巨磁阻器 (GMR)、隧穿磁阻器（TMR)、超巨磁阻器（CMR)和各向异性磁阻器（AMR)。MR传感器可以是弱 场MR或强场MR。一般地，所有类型的MR对应于磁场在敏感性平面中的投影，其平行于MR的平面形状。MR厚度远小于横向尺寸，并且因此横向尺寸限定了敏感性平面，其一般与其上 溅射或以其它方式布置MR的衬底的主表面相同，并且其在本文中将被称为xy平面。
[0029] 带有钉扎层的MR(例如，GMR、TMR、CMR)具有小环路行为和大环路行为。小环路用 于较小施加的磁场（即，其中器件被经常操作)，而大环路用于可以表示对MR的过多压力的 较强场。在小环路中，MR的参考磁系统（S卩，一个或多个钉扎层)主要保持恒定，而在大环路 中，磁化可以被显著地变更（即，意图的参考方向的驱逐或者甚至解磁化)。
[0030] 在小环路中，弱场MR主要响应于在敏感性方向上的磁场分量(例如，Bx，或磁场B 的x方向分量)，但该行为也可通过与敏感方向正交的磁场分量（|By| )的量值来调制。电 阻的通常依赖关系由以下给出：
其中，f(X)是x的奇函数(意味着f(x)=_f(-X))并且实数a和b大于零。
[0031] 换言之： i在敏感性方向上的零磁场%=愚处的电阻是，独立于By。 ii任意极性的在y方向上的磁场具有与匕的量值的减小的相同的效应。iii如果Bx假设为非常大的正值，则电阻倾向于1?_。然而，在实践中，场将最终如此 大，使得小环路不再适用，并且传感器将进入大环路，其中MR效应或多或少突然崩塌。 iv如果Bx假设为非常大的负值，则电阻倾向于1?_。传感器此处再次最终退出小环路 且进入大环路区。 v数字a描述由于像例如形状各向异性的效应而导致的用来沿着y方向对准的MR传 感器的自由层的倾向。项b|By|意味着在y方向上的任何场增加该倾向。
[0032] 在小环路区中，强场MR响应于在所施加的平面内磁场和也平行于敏感性平面的 参考方向之间的角度W;然而它们不响应于在场量值中的改变。电阻的通常依赖关系由以 下给出：
公式在宽范围的场量值中（例如，在约10毫特斯拉（mT)和200mT之间）是有效的。
[0033] i对于更强的场，传感器退出其小环路且进入大环路区。 ii强场MR通常仅具有可以忽略的或等于零的形状各向异性，这意味着自由层的磁化 没有用来对准到任何方向的倾向。所以它被拉入所施加的场的方向。 iii对于非常小的所施加的场，所施加的场的强度太弱以致不能将磁化拉在场的方向 上。对此的理由可以是设陷阱捕捉磁化的杂质中心。所以如果所施加的场旋转，则磁化最 终落在所施加的场方向后面。然后，上面的等式是不准确的或完全失败。
[0034] 在包括MR的实施例中，MR可以是强场MR或弱场MR。
[0035] 参考图1-3,描绘了根据实施例的传感器系统100。传感器系统100包括：支撑结 构110 ;至少两个传感器120,布置在支撑结构110的表面上；以及磁元件130,耦合到传感 器120或最接近传感器120布置。传感器系统100可以最接近导体140布置，所述导体140 被配置为携带电流，所述电流将通过感测由此感应的磁场来感测。在实施例中，传感器系统 100与导体140 -起使用或操作，但导体140自身不包括系统100的一部分，除非相对于特 别的实施例另有讨论或描述。
[0036] 支撑结构110可包括印刷电路板（PCB)、组件板、衬底、引线框、管芯(例如，如在图 1的示例中图示的)、或一些其它合适的结构或器件。例如，支撑结构110的特别的组成和布 置可以针对特定应用要求来进行定制或设计。在实施例中，支撑结构110可以包括至少一 个小孔150,在所述小孔150中或穿过所述小孔150布置导体140。小孔150可以在中心位 于支撑结构110中(诸如图1-3的通常圆形小孔150)，或小孔150可以偏离中心布置或从支 撑结构110的边缘在内部地延伸（见例如图4)，或可以具有在其它实施例中的一些其它合 适的布置或配置。在实施例中，小孔150可以是圆形、方形或通常对称的，或者小孔150可 以包括一些其它形状，尤其诸如钥匙孔、卵形或长方形。
[0037] 支撑结构110以及小孔150的大小在实施例中可以变化，诸如针对特别的应用或 一些其他因素可以是容纳特别的导体