阅读说明：本技术 磁传感芯片、温度补偿电流传感器及其制备方法 (Magnetic sensing chip, temperature compensation current sensor and preparation method thereof ) 是由 刘明 关蒙萌 黄豪 胡忠强 朱家训 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：磁传感芯片、温度补偿电流传感器及其制备方法,温度补偿电流传感器包括：聚磁环、绕制于聚磁环上的反馈线圈、设置于聚磁环缺口处的磁传感芯片、与磁传感芯片及反馈线圈相连的磁平衡电路；磁传感芯片包括形成全桥结构的隧道结磁电阻元件及热敏电阻,热敏电阻位于隧道结磁电阻元件的电极层上,电极层为钌金属层或电极层中有钌金属,热敏电阻为钌电阻,热敏电阻与温度补偿电路相连,反馈线圈向温度补偿电路输出电流信号,温度补偿电路用于根据钌电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出。本发明将热敏元件集成在磁传感芯片内部,温度采集区域与磁场检测的区域更加靠近,反馈的温度信息更加准确,而且不会额外增加其它材料和工艺难度。(Magnetic sensing chip, temperature compensation current sensor and preparation method thereof, temperature compensation current sensor includes: the magnetic-field-focusing circuit comprises a magnetic-field-focusing ring, a feedback coil wound on the magnetic-field-focusing ring, a magnetic sensing chip arranged at the notch of the magnetic-field-focusing ring, and a magnetic balance circuit connected with the magnetic sensing chip and the feedback coil; the magnetic sensing chip comprises a tunnel junction magneto-resistance element and a thermistor, the tunnel junction magneto-resistance element forms a full-bridge structure, the thermistor is located on an electrode layer of the tunnel junction magneto-resistance element, the electrode layer is a ruthenium metal layer or ruthenium metal in the electrode layer, the thermistor is a ruthenium resistor, the thermistor is connected with a temperature compensation circuit, a feedback coil outputs current signals to the temperature compensation circuit, and the temperature compensation circuit is used for outputting after compensating detection results according to the ruthenium resistor and signals output by the feedback coil. According to the invention, the thermosensitive element is integrated in the magnetic sensing chip, the temperature acquisition area is closer to the magnetic field detection area, the temperature information fed back is more accurate, and other materials and process difficulties cannot be additionally increased.)

磁传感芯片、温度补偿电流传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于电流感测技术领域，尤指涉及一种可以进行温度补偿的电流传感器其所用的磁传感芯片。

背景技术

基于零磁通原理的磁平衡式电流传感器因具有灵敏度高、测量范围广等优点，在电流测量领域得到了广泛应用。但受到磁场检测部分和反馈线圈绕组温度特性的影响，环境温度的变化会影响磁平衡式电流传感器的灵敏度，进而影响电流传感器的测量精度。为此，需要对电流传感器进行温漂补偿，以确保其在不同温度下的测量精度。

磁平衡式电流传感器一般将磁传感芯片安装在反馈线圈绕组的空气间隙中，而磁传感芯片和反馈线圈绕组是引起电流传感器温漂的主要器件，要想获得准确的检测区域温度信息，用于反馈温度信息的热敏感器件(温度传感器件)应尽可能地靠近磁传感芯片与反馈线圈绕组，以对电流传感器的温漂进行补偿。比较常用的温度补偿手段是在电流传感器中设置热敏电阻，利用热敏电阻采集环境温度，并在电流传感器的电路板上设置温度补偿电路，对电流传感器的输出进行温度补偿，以抑制电流传感器的温漂。为了简化电流传感器的生产工艺，一般将热敏电阻安装在电流传感器的电路板上，由于热敏电阻距离磁传感芯片以及反馈线圈绕组较远，不能准确反映电流传感器零磁通检测区域的温度，对测量精度的提升效果有限。如果将热敏电阻集成于磁传感芯片内，可以使热敏感器件更靠近磁传感芯片和反馈线圈，从而能更准确地反应检测区域的温度信息，使电流传感器温度补偿更加精确。但目前的热敏电阻基本都是采用铂、铜、镍等金属材质制成，由于热敏电阻的材料不同于磁传感芯片的材料，将热敏电阻集成于磁传感芯片中，无疑会增加磁传感芯片制备工艺的复杂程度，提高了电流传感器的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度补偿准确度高的磁传感芯片。

本发明的另一目的在于提供一种制作简单的可实现温度补偿的电流传感器。

为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：

磁传感芯片，包括形成全桥结构的隧道结磁电阻元件以及热敏电阻，所述热敏电阻位于所述隧道结磁电阻元件的电极层上，所述电极层为钌金属层或电极层中有钌金属，所述热敏电阻为钌电阻。

进一步的，所述隧道结磁电阻元件可替换为GMR单元。

为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：

温度补偿电流传感器，包括：聚磁环、绕制于所述聚磁环上的反馈线圈、设置于所述聚磁环缺口处的磁传感芯片、与所述磁传感芯片及所述反馈线圈相连的磁平衡电路；所述磁传感芯片为前述磁传感芯片，所述热敏电阻与温度补偿电路相连，所述反馈线圈向所述温度补偿电路输出电流信号，所述温度补偿电路用于根据所述钌电阻和所述反馈线圈输出的信号对检测结果进行补偿后输出。

由以上技术方案可知，本发明采用钌电阻作为热敏元件，钌元素是制备隧道结磁电阻元件的材料之一，从而可以将钌电阻集成于磁传感芯片中，将热敏电阻集成在磁传感芯片内部，采集温度的区域与磁场检测的区域更加靠近，使得热敏元件反馈的温度信息更加准确，能更精确地反应检测区域的温度信息，使电流传感器温度补偿更加精准；而且由于钌元素本身用于制备隧道结磁电阻元件，只需要在磁传感芯片中划分出温度检测区域，并与温度补偿电路相连即可，原有的磁传感芯片的制备工艺基本不变，也不用增加其它设备，有利于控制生产成本。

进一步的，所述温度补偿电路包括温度采样电路、乘法比例电路、加法比例电路以及电流采样电路；所述温度采样电路与所述钌电阻相连，所述温度采样电路向所述乘法比例电路输出信号，所述乘法比例电路向所述加法比例电路输出信号，所述电流采样电路采集所述反馈线圈输出的电流信号并输出至所述加法比例电路，所述加法比例电路将所述电流采样电路输出的信号与所述乘法比例电路输出的信号相加后得到电流传感器最终输出的温度补偿输出信号，温度补偿输出信号同时输出至所述乘法比例电路。

采用闭环式温度补偿电路，得到的和温漂相关的反馈量误差更少，温度补偿更为稳定和精确。

进一步的，所述温度补偿电路包括温度采样电路、加法比例电路以及电流采样电；所述温度采样电路与所述钌电阻相连，所述温度采样电路向所述加法比例电路输出信号，所述电流采样电路采集所述反馈线圈输出的电流信号并输出至所述加法比例电路，所述加法比例电路将所述温度采样电路输出的信号和所述电流采样电路输出的信号相加后得到电流传感器最终输出的温度补偿输出信号。

采用开环式温度补偿电路，电路结构简单，制造成本低。

本发明还提供了一种传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

提供基底；

在基底上沉积下电极层、钉扎层、非磁层和自由层，下电极层采用钌材料制备；

根据版图，刻蚀出磁电阻元件区域，和热敏电阻区域；

沉积上电极层，制备电气连接结构，包括与磁电阻元件和热敏电阻、反馈线圈相连的连接端子和接线端子，将磁电阻元件和热敏电阻实现电气互联；

封装芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1磁传感芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例1的电路框图；

图4本发明实施例1温度补偿电路的信号框图；

图5为本发明实施例2的电路框图；

图6为本发明实施例2温度补偿电路的信号框图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

实施例1

参照图1和图3，本实施例的电流传感器包括反馈线圈1、聚磁环2、磁传感芯片3、磁平衡电路4以及温度补偿电路5。反馈线圈1绕制在聚磁环2上，用于产生反馈磁场。聚磁环2可以是由一对相对设置的弧形铁芯组成的环形开合式结构，或者为一个C形的铁芯构成的固定式结构。聚磁环2可用硅钢片、坡莫合金、纳米晶等磁性材料制成。聚磁环2上设置有一缺口2a，磁传感芯片3设置于聚磁环2的缺口2a处，磁传感芯片3用于进行磁场检测。

磁传感芯片3包括由TMR单元或GMR单元等隧道结磁电阻元件组成的磁传感单元。如图2所示，在磁传感芯片3的基片上采用磁控溅射技术沉积有4组隧道结磁电阻元件(6、7、8、9)，并设置有4个连接端子(12、13、14、15)，每组隧道结磁电阻元件的结构相同，均至少包括钉扎层、自由层和非磁层，非磁层位于钉扎层和自由层之间。隧道结磁电阻元件中钉扎层的磁化方向不随外部磁场的变化而变化，自由层的磁化方向随外部磁场的变化而发生改变，隧道结磁电阻元件的阻值随着自由层磁化方向与钉扎层磁化方向间夹角的变化而变化，从而实现磁场的检测。4组隧道结磁电阻元件桥式连接形成全桥结构，向外输出差分电压信号，4组隧道结磁电阻元件分别位于全桥结构的4个桥臂上，每个连接端子分别与相邻的两个桥臂相连。4个连接端子中，一对连接端子(14、15)为输入端子，外部电源通过输入端子为磁传感芯片3提供压降，使全桥电路处于工作状态，另一对连接端子(12、13)为输出端子，磁传感芯片3通过输出端子输出与磁场相关的差分电压信号。磁传感芯片3的基片上还集成有作为热敏电阻的钌电阻16，钌电阻16用于采集磁场检测区域的温度信息，钌电阻16通过接线端子(10、11)与温度补偿电路5相连。钌是制备隧道结磁电阻元件(TMR)的电极层、钉扎层的材料之一，由于钉扎层厚度较薄，不适合于制备热敏电阻，因此优选将钌电阻设置于电极层，和采用铂、铜、镍等材料制成的常规的热敏电阻相比，利用电极层形成热敏电阻，从而热敏电阻集成于磁传感芯片中。隧道结磁电阻元件也可以用GMR替代，在制备GMR单元的材料中添加钌材料，从而将热敏电阻集成于芯片内。

如图2所示，磁传感芯片3中的磁传感单元通过输出端子与磁平衡电路4相连，本实施例的磁平衡电路4包括差分电压采样电路4-1和推挽射极跟随电路4-2，差分电压采样电路4-1用于采集磁传感单元输出的差分电压信号V_M，推挽射极跟随电路4-2根据差分电压信号产生输出至反馈线圈1的电流I_s，以使反馈线圈1产生反馈磁场，从而电流传感器达到磁平衡状态。反馈线圈1同时向温度补偿电路5输出电流信号。

本实施例的温度补偿电路5为闭环温度补偿电路，其包括温度采样电路5-1、乘法比例电路5-2、加法比例电路5-3以及电流采样电路5-4。其中，温度采样电路5-1与钌电阻16相连，采集钌电阻16输出的温度采样电压。温度采样电路5-1的输出端与乘法比例电路5-2相连，向乘法比例电路5-2输出温度采样信号V_T。电流采样电路5-4采集反馈线圈1输出的电流信号，并将采集的信号输出至加法比例电路5-3。乘法比例电路5-2和加法比例电路5-3形成一个闭环反馈，结合如图4所示，加法比例电路5-3从电流采样电路5-4获得反馈线圈1的采样信号V_s，并将反馈线圈1的采样信号V_s与乘法比例电路5-2输出的信号相加(K₁为加法比例电路的放大倍数)，得到电流传感器最终输出的温度补偿输出信号V₀，温度补偿输出信号V₀同时也输出至乘法比例电路5-2，用于和温度采样信号V_T进行乘法运算(K₂为加法比例电路的放大倍数)后，再输出至加法比例电路5-3。

下面结合图1对本实施例的工作原理进行说明：

如图1所示，电流传感器在进行测量时，将被测导体20穿过聚磁环2，当被测导体20有电流通过时，被测导体20周围产生磁场A；磁传感芯片3检测聚磁环2缺口2a处的磁场大小，并输出差分电压信号V_M；磁平衡电路4采集磁传感芯片3输出的差分电压信号V_M，并调整反馈线圈2的输入电流I_S；反馈线圈1在电流I_S的作用下，在聚磁环2内产生磁场B；当差分电压信号V_M为零时，被测导体20产生的磁场A与聚磁环2产生的磁场B达到磁平衡状态，聚磁环2缺口2a处为零磁通。

本实施例集成了热敏电阻的传感器芯片的制备方法如下：

提供基底；

在基底上沉积下电极层、钉扎层、非磁层和自由层，下电极层采用钌材料制备；

根据版图，刻蚀出磁电阻元件区域，和热敏电阻区域；

沉积上电极层，制备电气连接结构，包括与磁电阻元件和热敏电阻、反馈线圈相连的连接端子和接线端子，将磁电阻元件和热敏电阻实现电气互联；

封装芯片。

实施例2

本实施例和实施例1不同的地方在于，本实施例的温度补偿电路为开环温度补偿电路。如图5所示，本实施例的温度补偿电路包括温度采样电路5-1、加法比例电路5-3以及电流采样电路5-4。其中，温度采样电路5-1与钌电阻16相连，采集钌电阻16输出的温度采样电压。电流采样电路5-4与反馈线圈1相连，采集反馈线圈1输出的电流信号。电流采样电路5-4的输出端及温度采样电路5-1的输出端与加法比例电路5-3相连。如图6所示，加法比例电路5-3将温度采样电路5-1输出的温度采样信号V_T和电流采样电路5-4输出的反馈线圈1的采样信号V_s相加(K₁为加法比例电路的放大倍数)，即得到电流传感器最终输出的温度补偿输出信号V₀。本实施例使用开环式温度补偿电路，电路结构相对于闭环式温度补偿电路来说更为简单，但闭环式温度补偿电路由于加入了乘法比例电路，所得到的和温漂相关的反馈量误差更少，补偿更为稳定和精确。本发明的磁平衡电路及温度补偿电路与使用普通热敏电阻进行温度补偿的电流传感器中的磁平衡电路及温度补偿电路相同，不是本发明的发明点，此处不做赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。