張蓬鶴，李求洋，張衛(wèi)欣，劉崇偉

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384)

0 引言

電流傳感器主要包括電流互感器、羅氏線圈、霍爾傳感器等，這些傳感器存在明顯的局限性。電流互感器只能測試交流電流，磁芯存在飽和風(fēng)險[1]；羅氏線圈不能測直流電流，線圈制作繁瑣[2]；霍爾器件溫度特性較差[3-4]。隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)傳感器具有靈敏度高、溫度漂移小、線性誤差小、動態(tài)范圍寬的優(yōu)良特性，適合應(yīng)用于電流測量領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5-6]闡述了TMR效應(yīng)的有效測量方向是TMR器件的表面方向，即TMR傳感器只能檢測平行于其表面的磁場。然而，載流導(dǎo)線布置于TMR傳感器的正上方，會造成載流導(dǎo)線與TMR傳感器之間的距離難以控制且不易于集成化[7]。

本文設(shè)計了一種新型Z軸TMR電流傳感器，其靈敏方向垂直于芯片表面，通過PCB布線控制載流導(dǎo)線與TMR傳感器的距離，實現(xiàn)與TMR傳感器在同一平面上的電流測量。Z軸TMR電流傳感器將TMR元件放置為梯度結(jié)構(gòu)，通過在磁隧道結(jié)上方沉積一層高磁導(dǎo)率的聚磁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)外加磁場方向，實現(xiàn)靈敏方向垂直于芯片表面的設(shè)計目標(biāo)。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償后，測試結(jié)果表明TMR電流傳感器在0.1～60 A測量范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到1%。

1 TMR元件設(shè)計

TMR元件的最小結(jié)構(gòu)單元是磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction，MTJ)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本結(jié)構(gòu)是3層膜結(jié)構(gòu)，分別為隧道層、自由層、被釘扎層。被釘扎層的磁矩方向固定，隧道層是可被隧穿的?級厚度的鎂或鋁氧化物，自由層是高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，其磁化方向受外界磁場的調(diào)制[8]。自由層的磁矩和被釘扎層的磁矩之間的夾角，決定了磁隧道結(jié)的磁電阻R。

圖1 磁隧道結(jié)基本結(jié)構(gòu)

自由層的磁化方向取決于系統(tǒng)的最小能量，系統(tǒng)能量包括：被測磁場提供的能量、偏置磁場提供的能量、退磁場能以及各向異性能。如圖2所示，當(dāng)有被測磁場Ha時，自由層的磁矩M穩(wěn)定在某一角度θ，那么自由層和被釘扎層磁矩夾角為90°-θ，此時磁電阻R滿足式 (1)：

(1)

式中：C1和C2為與TMR薄膜有關(guān)的常數(shù)。

圖2 磁矩方向

通過測量磁電阻R的值，即可計算出外界磁場和被測電流的大小。

將4個靈敏方向不同的磁電阻連接成全橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圖中箭頭代表各磁電阻的靈敏方向。R1和R4的靈敏方向一致，反向平行于R2和R3靈敏度。當(dāng)有適當(dāng)?shù)耐饧哟艌鰰r，全橋結(jié)構(gòu)的輸出電壓與外界磁場成線性關(guān)系[9]。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)及其輸出曲線

2 TMR傳感器原理及設(shè)計

2.1 Z軸TMR傳感器原理

為使被測磁場方向改變至TMR傳感器的靈敏方向，本文應(yīng)用聚磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，在MTJ上方沉積一層聚磁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)外加磁場的方向。其結(jié)構(gòu)側(cè)視圖及磁場扭轉(zhuǎn)方向示意如圖4所示。圖中2個磁隧道結(jié)MTJ1和MTJ2對稱放置于聚磁結(jié)構(gòu)的下方兩側(cè)，磁場流線代表磁場的方向。當(dāng)有垂直方向的外加磁場時，在聚磁結(jié)構(gòu)的邊緣，磁場方向會發(fā)生改變，在MTJ位置存在平行于MTJ表面方向的磁場分量。2個磁隧道結(jié)由于相對聚磁結(jié)構(gòu)位置對稱，其表面水平磁場分量大小相等、方向相反。

圖4 聚磁結(jié)構(gòu)改變磁場方向

為了提高Z軸傳感器的靈敏度，一方面需要提高M(jìn)TJ自身的磁場響應(yīng)，另一方面需要對聚磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得在一定的外加磁場下，提高平行于MTJ表面方向的磁場分量。

2.2 MTJ的磁場響應(yīng)

圖5 MTJ靈敏度隨長寬比的變化

由圖5可以看出，MTJ的長寬比值越小，靈敏度越高。為了減小器件體積、降低成本、降低功耗，應(yīng)盡量減小線寬。根據(jù)目前的磁電阻器件MEMS工藝水平，本文將線寬設(shè)計為2 μm，即MTJ的寬度尺寸為2 μm。MTJ長寬比過小會引起較大磁滯，且理論分析MTJ磁滯影響非常困難，本文采用長寬比為4進(jìn)行試制，采用試驗驗證的方式確定長寬比是否合適。

3 TMR電流傳感器設(shè)計

3.1 MTJ與聚磁結(jié)構(gòu)的垂直距離

聚磁結(jié)構(gòu)位于MTJ的上方，二維有限元仿真得到的水平磁場結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鼍嚯x聚磁結(jié)構(gòu)的垂直距離越近，水平磁場分量越大。因此，為了提高磁場強(qiáng)度，垂直距離應(yīng)越小越好。

圖6 NiFe聚磁效果的二維有限元仿真

NiFe層通常厚度較大，工藝上多采用電鍍的方法構(gòu)建，即在MTJ薄膜的上表面增加絕緣層后再電鍍NiFe。為了保證電氣絕緣和工藝可控性，本文設(shè)置MTJ與聚磁結(jié)構(gòu)的垂直距離為1 μm，盡可能大地提高M(jìn)TJ靈敏度。

3.2 聚磁結(jié)構(gòu)間距、厚度和寬度

對于聚磁結(jié)構(gòu)來說，聚磁能力最主要的指標(biāo)是將垂直磁場轉(zhuǎn)變?yōu)樗酱艌龅男Ч鄞沤Y(jié)構(gòu)的幾何尺寸不同直接影響聚磁能力的大小。由于TMR傳感器由眾多個MTJ構(gòu)成，因此聚磁結(jié)構(gòu)采用并聯(lián)形式，形成聚磁陣列。圖7為聚磁陣列的三維仿真模型，X和Z方向分別為聚磁結(jié)構(gòu)的厚度和寬度方向，外加磁場方向為Z軸方向。

圖7 聚磁陣列的仿真模型

在Z軸方向施加100 Gs的磁場，仿真比較不同結(jié)構(gòu)尺寸下的聚磁結(jié)構(gòu)性能。選擇圖7中Y=0，Z=0這一條直線，比較不同聚磁結(jié)構(gòu)厚度和寬度時，垂直磁場在該直線上的水平磁場分布。對于不同寬度下的聚磁結(jié)構(gòu)，厚度對聚磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平磁場分量影響如圖8所示，圖8中1 Gs=10-4T。

(a)聚磁結(jié)構(gòu)寬度為5 μm

(b)聚磁結(jié)構(gòu)寬度為10 μm

(c)聚磁結(jié)構(gòu)寬度為20 μm圖8 聚磁結(jié)構(gòu)厚度對水平磁場強(qiáng)度的影響

從圖8可見，聚磁效果隨著厚度的增加而逐步增強(qiáng)，當(dāng)厚度超過10 μm時，聚磁效果隨著厚度的增加反而減弱。此外，聚磁層厚度越大，對電鍍工藝的要求越高。因此本文將聚磁層的厚度設(shè)計為10 μm。由圖8可知，隨著聚磁結(jié)構(gòu)寬度的增加，聚磁的效果略有減小，但是幾乎可以忽略。而在工藝上，聚磁層的寬度應(yīng)不小于聚磁層厚度；但寬度越大，器件的尺寸越大，器件成本增加，因此本文將聚磁結(jié)構(gòu)的寬度同樣設(shè)計為10 μm。

在相鄰2個聚磁結(jié)構(gòu)之間，至少放置2個MTJ用于磁場強(qiáng)度測量。MTJ的寬度為2 μm，聚磁結(jié)構(gòu)的寬度為10 μm，且需留有至少1 μm的絕緣距離，因此相鄰2個聚磁結(jié)構(gòu)的間距為設(shè)置為15 μm。

3.3 MTJ中心到聚磁結(jié)構(gòu)邊緣距離

基于以上聚磁結(jié)構(gòu)和MTJ尺寸，進(jìn)行MTJ中心到聚磁結(jié)構(gòu)邊緣距離的設(shè)計。圖9顯示了圖7中聚磁結(jié)構(gòu)下方直線Y=0，Z=0位置處的水平磁場分布，灰色框表示聚磁結(jié)構(gòu)的位置。從圖9可知，水平磁場最大的位置位于聚磁結(jié)構(gòu)的外側(cè)，距離聚磁結(jié)構(gòu)邊緣大約0.5 μm位置。

圖9 聚磁結(jié)構(gòu)和磁場分布的空間位置關(guān)系

4 TMR電流傳感器的制備和測試

4.1 TMR元件的制備

TMR元件的試制采用TMR濺射鍍膜工藝平臺，經(jīng)過基片清洗、鍍膜、高溫退火、刻蝕、電鍍NiFe等工序，制備出了Z軸TMR元件樣品。TMR元件的制備過程如下：利用濺射鍍膜工藝，在硅基板上依次沉積電極層、種子層、人工反鐵磁層、MgO隧道層、自由層和上電極層；利用刻蝕的方法，制作出磁隧道結(jié)；在上電極層構(gòu)建電氣互連結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)隧道結(jié)的互連；將裸晶圓放置在引線框上，對位安裝、打線、注塑、脫模，最終形成TMR元件。

圖10是研制得到的TMR元件隨外加磁場的輸出響應(yīng)曲線，其輸入電壓為5 V?？梢杂嬎愕玫皆揟MR元件的靈敏度為4.4 mV·V-1·Oe-1，在±15 Gs磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，傳感器線性程度很高。

圖10 TMR元件輸出響應(yīng)曲線

由于電流與磁場強(qiáng)度是線性關(guān)系，且2個相對聚磁結(jié)構(gòu)對稱位置的傳感元件a和b，傳感得到的磁場方向相反。因此，傳感器a和b位置處的磁場滿足如下表達(dá)式：

Ha=0.2I+Hd
Hb=-0.2I+Hd

(2)

式中：Ha,Hb分別為傳感元件a和b位置處的磁場；I為被測導(dǎo)線中的電流；Hd為外部干擾磁場。

由于2個傳感元件位置較近，地球磁場或者外部干擾磁場在2個傳感元件位置處產(chǎn)生的分量可以認(rèn)為是相同的。則輸入電壓為1 V時，傳感元件a和b的輸出電壓(單位： mV)表達(dá)式為：

Va=4.4×(0.2I+Hd)
Vb=4.4×(-0.2I+Hd)

(3)

傳感器輸出電壓為

V0=Va-Vb=8.8×0.2×I

(4)

由式 (4)可見，通過將2個傳感元件構(gòu)成梯度的方式，可以免除外界干擾磁場的影響。

4.2 應(yīng)用電路設(shè)計與測試

利用TMR元件構(gòu)成的電流傳感器模塊如圖11所示，電流導(dǎo)線分布于PCB的正面和背面，TMR元件位于PCB正面，其靈敏部位與待測電流導(dǎo)線的距離設(shè)定為固定值5 mm。由于TMR元件輸出信號較小，應(yīng)用高精度儀表運(yùn)算放大器將傳感信號放大。

圖11 電路實物照片

表1為本文設(shè)計的TMR電流傳感器模塊實際測試結(jié)果。電流傳感芯片在進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償校正后讀取的數(shù)據(jù)比校正前的數(shù)據(jù)精度有了明顯的提高。在校正之后，電流測量誤差在1%以內(nèi)。電流傳感器對小電流的測量誤差稍大，原因是由于此時元件的噪聲信號、放大電路的噪聲和非線性相比測試信號不可忽略，引起測量誤差。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種具有聚磁結(jié)構(gòu)的Z軸TMR元件，并使用該TMR元件實現(xiàn)了一種電流測量方法，證實了TMR元件用于電流傳感的可行性。在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償后，TMR電流傳感器在目標(biāo)測量范圍內(nèi)達(dá)到了1%的測量精度。測試結(jié)果驗證了TMR電流傳感器在電流測量領(lǐng)域內(nèi)具有較好的應(yīng)用前景。

表1 TMR電流傳感器測試數(shù)據(jù)