CN101788596A

CN101788596A - Tmr电流传感器

Info

Publication number: CN101788596A
Application number: CN201010105268A
Authority: CN
Inventors: 王建国; 薛松生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明涉及三种利用隧道结磁阻效应原理(TMR)的电流传感器：芯片集成式TMR电流传感器，PCB集成式TMR电流传感器和分离式TMR电流传感器，用于测量交流电流或直流电流。三种TMR电流传感器都包括TMR惠斯通电桥，都采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型。本发明从根本摆脱了聚磁铁心材料给电流传感器带来的诸如线性度变差，动态范围小，体积重量增加，成本过高等方面的缺点。由于TMR元件的特性及传感器设计的特性，本TMR电流传感器发明具有线性度好，动态范围宽，精度高，温度特性好，响应频率高，体积小，重量轻，成本低，抗干扰性强等优点。

Description

TMR电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器，尤其是一种利用隧道结磁阻效应原理(TMR)的电流传感器。

背景技术

常用的电流测量装置一般采用霍尔元件作为传感器单元，通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量。目前也有用各向异性磁阻元件(AMR)和巨磁阻元件(GRM)作为传感器单元，其原理同霍尔元件相同是通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量。

霍尔元件由于灵敏度低，通常采用铁磁材料通过聚磁效应来提高精度。有开环型，闭环型及点阵式霍尔电流产感器。开环型霍尔电流传感器以铁磁材料作为导磁体，而将霍尔元件放置在导磁体的气隙中。开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般可达10-2级，被测电流与互感器额定电流相比较小时，测量误差会急剧增加，其主要原因是：由于铁磁材料存在磁滞和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与电流之间的线性关系会发生一定变化，特别是较小电流时，这种偏差有为明显。

闭环型电流传感器采用霍尔元件或各向异性磁阻元件(AMR)，沿用了比较仪的零磁通原理，在开环型霍尔电流传感器的基础上进行了一系列改进，首先是在带气隙的铁磁材料上均匀布置一个平衡绕阻，其次霍尔元件不再用以直接检测电流的大小，而作为一个剩余磁通检测单元，霍尔元件的输出霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过平衡绕阻。稳态下，平衡绕阻与被测电流保持良好的线性关系，比例系数为平衡绕阻的绕线砸数与被测电流绕线砸数的比值，通过检测平衡绕阻中的电流大小即可得到被测电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，准确度可高达10-3级甚至更高，但是，平衡电路的驱动能力有限，制作大电流闭环霍尔电流传感器是比较困难且十分昂贵的。

点阵式霍尔电流传感器由N个霍尔元件组成的阵列，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将N个霍尔元件按路径均匀对称分布在印刷电路板上，且每个霍尔元件所在平面窜过路径的中心轴。并将N个霍尔元件组成的阵列放于一个圆筒形的屏蔽筒中。点阵式霍尔电流传感器排出了铁心的存在，从而克服了铁磁材料给霍尔电流传感器带来的诸如线性度变差，动态范围小，体积重量增加，成本过高等方面的缺点。但是由于霍尔元件本身的低灵敏度，其点阵式霍尔电流传感器的精度不高。

采用巨磁阻元件(GRM)作为传感器单元的电流传感器，虽然测量精度相对于霍尔电流传感器有所提高，但是其受巨磁阻元件(GRM)的线性范围小的约束，测量范围小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供三种TMR电流传感器，分别是：芯片集成式TMR电流传感器，PCB集成式TMR电流传感器，分离式TMR电流传感器，其性能好，成本低。

按照本发明提供的技术方案，所述PCB集成式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片、一个印刷电路板，将一根电流导线集成在PCB电路板上，再将所述芯片贴在带有绝缘层的电流导线上；所述电流导线采用长直导线。

所述芯片集成式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥和一根电流导线集成在一个芯片内；所述电流导线采用长直导线。集成芯片内的所述电流导线的路径经过4个TMR元件的上面。所述4个TMR元件的被钉扎层的磁矩方向相互平行。

所述分离式TMR电流传感器包括：由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片，所述芯片封装在印刷电路板上，还包括一个绝缘环，该绝缘环内空间供被测电流导线穿过，所述绝缘环封装在磁性屏蔽环内，所述芯片和印刷电路板封装在绝缘环和磁性屏蔽环之间；所述电流导线采用长直导线。

所述绝缘环包括两个绝缘半环，所述屏蔽环包括两个磁性屏蔽半环，两个绝缘半环分别封装在两个磁性屏蔽半环内；所述芯片和印刷电路板封装在其中一组绝缘半环和磁性屏蔽半环之间。通过安装孔将两组绝缘半环和磁性屏蔽半环连接成整环。

本发明由于TMR元件的特性及传感器设计的特性，具有线性度好，动态范围宽，精度高，温度特性好，响应频率高，体积小，重量轻，成本低等优点。

附图说明

图1是隧道结磁阻效应(TMR)工作原理及结构示意图。

图2是隧道结磁阻效应(TMR)组成的惠斯通电桥工作原理及结构示意图。

图3是PCB集成式TMR电流传感器的结构示意图。

图4是芯片集成式TMR电流传感器的结构示意图。

图5是分离式TMR电流传感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了三种利用隧道结磁阻效应原理(TMR)的TMR电流传感器，分别是：芯片集成式TMR电流传感器，PCB集成式TMR电流传感器，分离式TMR电流传感器。隧道结磁阻元件(TMR)相比霍尔元件，AMR和GMR元件，具有精度高，线性度好，动态范围大，温度特性好，响应频率高等特点。本发明提供的三种电流传感器从根本上排出了聚磁效应得铁心的存在，从而克服了铁磁材料给电流传感器带来的诸如线性度变差，动态范围小，体积重量增加，成本过高等方面的缺点，同时提高了电流传感器的精度，测量范围，温度特性和响应频率，并降低了传感器的成本。

所述PCB集成式TMR电流传感器，包括一个由4个TMR组成的惠斯通电桥芯片，一个印刷电路板(PCB)，一根电流导线，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将电流线集成在PCB电路板上，再将TMR芯片贴在带有绝缘层的电流线上。当被测量电流通过电流导线时产生磁场，通过TMR惠斯通电桥测量磁场的大小，进而测得电流的大小。

所述芯片集成式TMR电流传感器是一个芯片，包括一个由4个TMR组成的惠斯通电桥，一根电流导线，采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将TMR组成的惠斯通电桥与电流导线通过绝缘层集成在一个芯片内。当被测量电流通过电流导线时产生磁场，通过TMR惠斯通电桥测量磁场的大小，进而测得电流的大小。

所述分离式TMR电流传感器，包括环状的绝缘环，该绝缘环内空间供被测电流导线穿过；一个由4个TMR组成的惠斯通电桥芯片；一个印刷电路板(PCB)，TMR芯片封装在印刷电路板上；一个屏蔽环。分离式TMR电流传感器也采用一次载流导线为长直导线的磁场分布模型，将绝缘环封装在屏蔽环内，TMR芯片和印刷电路板封装在绝缘环和屏蔽环中间。被测量电流导线穿过绝缘环内，当被测量电流通过电流导线时产生磁场，通过TMR惠斯通电桥测量磁场的大小，进而测得电流的大小。

以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

如图1(a)所示，隧道结磁阻效应(TMR)的结构由纳米级多层膜组成：钉扎层1，磁性被钉扎层2，非磁性氧化物层3，磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁矩方向如5所示。磁性自由层4的磁矩方向如6所示。磁性被钉扎层2的磁矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直。磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。

隧道结磁阻效应(TMR)的工作原理，隧道结TMR的磁阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。当磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时，隧道结TMR的磁阻也随之变化。如图1(b)所示，当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5平行时，同时外加磁场的强度大于H1时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，如8所示，这时隧道结TMR的磁阻最小。当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5反平行时，同时外加磁场的强度大于H2时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向反平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，如9所示，这时隧道结TMR的磁阻最大。H1与H2之间的磁场范围就是TMR的测量范围。

如图2(a)所示，隧道结磁阻效应(TMR)惠斯通电桥由四个TMR元件211，212，213，214组成。其中TMR元件211与214的磁性被钉扎层的磁矩方向221，223与TMR元件212，213的磁性被钉扎层的磁矩方向222，224方向反平行。TMR元件211，212，213，214的磁性自由层的方向231，232，233，234相互平行。电极215，126是TMR惠斯通电桥的电压输入端，电极217，218是TMR惠斯通电桥的电压输出端。电极217，218的电压分别表示为V₂₁₇、V₂₁₈。

如图2(b)所示，隧道结磁阻效应(TMR)惠斯通电桥的工作原理是：TMR惠斯通电桥的输出电压V＝Vout(+)-Vout(-)＝V₂₁₇-V₂₁₈随着外磁场7的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场7的方向为负(-)且磁场强度大于H1时，TMR惠斯通电桥的输出电压最低。当外加磁场7的方向为正(+)且磁场强度大于H2时，TMR惠斯通电桥的输出电压最高。H1与H2之间的磁场范围就是TMR惠斯通电桥的测量范围。

如图3所示，PCB集成式TMR电流传感器的电流导线316集成在印刷电路板PCB 315上，电极311，312分别是被测电流的输入端和输出端。TMR惠斯通电桥芯片313封装在电流导线316上。引脚314是TMR惠斯通电桥的输入和输出端。当被测量电流流过电流导线316时，将产生磁场318，TMR惠斯通电桥芯片313将感应磁场的大小，从而测得电流的大小。若PCB集成式TMR电流传感器使用在相邻电流比较近或者外界干扰磁场比较强烈和复杂的场合，可将整个传感器放置于一个方形的屏蔽罩中。

如图4所示，芯片集成式TMR电流传感器包括由四个TMR元件421，422，423，424组成的惠斯通电桥。所有4个TMR元件的磁性被钉扎层441，442，443，444的磁矩方向相同，并磁性自由层431，432，433，434的磁矩方向相同。惠斯通电桥的电压输入端为413，414，电压输出端为415，416.电流导线417集成在惠斯通电桥上，其电流路径经过4个TMR元件的上面，电流的输入端411，412.当被测量电流通过电流导线417时，产生磁场418和419，惠斯通电桥感应磁场418，419的大小，从而测得电流的大小。TMR惠斯通电桥与电流导线一起封装在同一芯片中。若芯片集成式TMR电流传感器使用在相邻电流比较近或者外界干扰磁场比较强烈和复杂的场合，可将整个传感器芯片放置于一个方形的屏蔽罩中。

如图5(a)所示，分离式TMR电流传感器包括一个环状的绝缘环515，该绝缘环内空间516供被测电流导线穿过，TMR组成惠斯通电桥芯片313被封装在一个印刷电路板514上，引脚314是TMR惠斯通电桥的输入和输出端。传感器的最外层是磁性屏蔽层511；TMR芯片313和印刷电路板514封装在绝缘环515和最外层磁性屏蔽层511中间。当有电流通过穿过绝缘环515的内空间516的电流导线时，将产生磁场，TMR惠斯通电桥芯片313将感应磁场的大小，从而测得电流的大小。

所述分离式TMR电流传感器的另外一种设计，如图5(b)所示，包括两个半环的绝缘环523，524，两个半环所组成的内空间516供被测电流导线穿过。TMR组成惠斯通电桥芯片313被封装在一个印刷电路板514上，引脚314是TMR惠斯通电桥的输入和输出端。传感器的最外层是由另外两个半环521，522组成的磁性屏蔽层；在两个磁性屏蔽层半环521，522外部分别设置安装孔528，527，525，526，两个绝缘半环523，524和两个磁性屏蔽层半环521，522，由所述安装孔528，527，525，526链接组成全环。TMR芯片313和印刷电路板514封装在绝缘环和最外层磁性屏蔽层中间。当有电流通过穿过绝缘环515的内空间516的电流导线时，将产生磁场，TMR惠斯通电桥芯片313将感应磁场的大小，从而测得电流的大小。这种设计的优点是便于安装。

由以上方案可以看出，本发明与现有技术相比，具有测量范围宽，线性度好，精度高，温度特性好，响应频率高，体积小，重量轻，成本低等优点。

Claims

1.PCB集成式TMR电流传感器，其特征是：包括由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片、一个印刷电路板，将一根电流导线集成在PCB电路板上，再将所述芯片贴在带有绝缘层的电流导线上；所述电流导线采用长直导线。

2.芯片集成式TMR电流传感器，其特征是：包括由4个TMR元件组成的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥和一根电流导线集成在一个芯片内；所述电流导线采用长直导线。

3.如权利要求2所述的芯片集成式TMR电流传感器，其特征是集成芯片内的所述电流导线的路径经过4个TMR元件的上面。

4.如权利要求2所述的芯片集成式TMR电流传感器，其特征是所述4个TMR元件的被钉扎层的磁矩方向相互平行。

5.分离式TMR电流传感器，其特征是：包括由4个TMR元件组成的惠斯通电桥芯片，所述芯片封装在印刷电路板上，还包括一个绝缘环，该绝缘环内空间供被测电流导线穿过，所述绝缘环封装在磁性屏蔽环内，所述芯片和印刷电路板封装在绝缘环和磁性屏蔽环之间；所述电流导线采用长直导线。

6.如权利要求5所述的分离式TMR电流传感器，其特征是所述绝缘环包括两个绝缘半环，所述屏蔽环包括两个磁性屏蔽半环，两个绝缘半环分别封装在两个磁性屏蔽半环内；所述芯片和印刷电路板封装在其中一组绝缘半环和磁性屏蔽半环之间。

7.如权利要求6所述的分离式TMR电流传感器，其特征是通过安装孔将两组绝缘半环和磁性屏蔽半环连接成整环。