采用z軸磁電阻梯度計(jì)和引線框電流的集成電流傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種采用Z軸磁電阻梯度計(jì)和引線框電流的集成電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]電流傳感器是磁性傳感器的一個(gè)典型的應(yīng)用，其原理在于將檢測(cè)電流通過初級(jí)線圈，并在其中產(chǎn)生檢測(cè)磁場(chǎng)，而后通過磁性傳感器感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸出，從而建立檢測(cè)電流和輸出電壓信號(hào)之間的關(guān)系。而集成電流傳感器在于將磁性傳感器、初級(jí)線圈集成并封裝成一個(gè)電流傳感器芯片，目前有兩種典型集成電流傳感器，圖1為NVE公司AAV003集成電流傳感器I，其測(cè)量電流可達(dá)5A，其磁性傳感器2為GMR類型，且形成全橋梯度傳感器，其初級(jí)線圈3為U形，其中初級(jí)線圈3包含的兩個(gè)直長條31和32，且構(gòu)成全橋的兩組磁電阻傳感器單元橋臂22和21分別位于直長條31和32的下方位置；如圖2所示，橋臂RO和Rl對(duì)應(yīng)于直長條31，橋臂R3和R4對(duì)應(yīng)于直長條32，直長條31在RO和Rl位置附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)為Hxl，直長條32在R3和R4位置附近的磁場(chǎng)為Hx2，且兩者具有相反的磁場(chǎng)方向，大小相同；GMR磁電阻傳感單元RO，Rl，R3，R4具有相同的X磁場(chǎng)敏感方向，電橋連接結(jié)構(gòu)如圖3所示，為一種典型的全橋差分結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輸出信號(hào)端分別為V+和V-。
[0003]圖4為另一種類型的集成電流傳感器，infineon公司TL14970集成電流傳感器4，其測(cè)量電流在-50A到+50A范圍內(nèi)，包括hall梯度傳感器5，條帶狀初級(jí)線圈6，以及陶瓷隔離板7，用于隔離Hall梯度傳感器5以及條帶狀初級(jí)線圈6，以及信號(hào)輸出接口 8，其中條帶狀初級(jí)線圈6和信號(hào)輸出接口 8 一樣都是引線框材料，此外，Hall梯度傳感器5直接位于條帶狀初級(jí)線圈6的上方，圖5為引線框初級(jí)線圈集成電流傳感器平面位置結(jié)構(gòu)圖，Hall傳感器單元RO和Rl分別對(duì)稱位于初級(jí)線圈6的中線9兩側(cè)，初級(jí)線圈6中的電流在RO位置和Rl位置所產(chǎn)生的Z向磁場(chǎng)分量分別為Hzl和Hz2，其大小相同方向相反，其差分連接結(jié)構(gòu)如圖6所示，半橋結(jié)構(gòu)的中間輸出信號(hào)為Vout。
[0004]比較兩種情況可以看出，相對(duì)于U形初級(jí)線圈需要兩條相反電流的直導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)差分磁場(chǎng)，條帶狀初級(jí)線圈具有更大的寬度，而且采用的為引線框材料，因此能夠通過更大的電流，因此值得推廣。
[0005]相對(duì)于Hall和GMR傳感器，TMR傳感器具有更高磁場(chǎng)靈敏度更低功耗以及尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，因此采用TMR傳感器完全可以制備出具有更高精度的集成電流傳感器，另一方面，通過采用引線框直條帶狀初級(jí)線圈，可以實(shí)現(xiàn)更高幅度電流的測(cè)量，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)完全可以實(shí)現(xiàn)一款具有高精度以及更大電流范圍的新型集成電流傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本文提出了一種結(jié)合高靈敏度、低功耗TMR磁電阻傳感器和引線框電流的集成電流傳感器，按照以下方式解決:
[0007]一種采用Z軸磁電阻梯度計(jì)和引線框電流的集成電流傳感器，包括Z軸梯度計(jì)和引線框初級(jí)線圈，其中所述Z軸梯度計(jì)為一種磁電阻Z軸梯度傳感器，包含襯底、位于襯底上的分開梯度特征間距為Lg的兩個(gè)長條形軟磁通量集中器Al和B1、以及位于所述軟磁通量集中器Al和BI上表面或下表面上且處于與軟磁通量集中器長軸中心線等距的Yl和Y2兩個(gè)側(cè)位置處的磁電阻傳感單元串，其中磁電阻傳感單元的磁場(chǎng)敏感方向垂直于所述長軸中心線且電連接成梯度傳感器電橋，所述引線框初級(jí)線圈包括位于所述Z軸梯度計(jì)正上方或者正下方的長條形電流檢測(cè)帶，所述兩個(gè)軟磁通量集中器Al和BI對(duì)稱地位于所述長條形電流檢測(cè)帶平行于所述長軸中心線的帶中心線兩側(cè)，所述長條形電流檢測(cè)帶的檢測(cè)電流方向平行于所述長軸中心線方向。
[0008]優(yōu)選地，還包括次級(jí)線圈，所述次級(jí)線圈包括兩個(gè)串聯(lián)的具有相反纏繞方向的子線圈，任一所述子線圈均包括兩個(gè)對(duì)稱位于所述軟磁通量集中器長軸中心線兩側(cè)且反饋電流方向相反的兩個(gè)直導(dǎo)線。
[0009]優(yōu)選地，所述子線圈位于所述襯底與所述Z軸梯度計(jì)之間，或者位于所述Z軸梯度計(jì)的磁電阻傳感單元與軟磁通量集中器之間。
[0010]優(yōu)選地，所述磁電阻傳感單元為GMR、TMR或者AMR磁電阻傳感單元。
[0011]優(yōu)選地，所述梯度傳感器電橋?yàn)槿珮颉霕蚧蛘邷?zhǔn)橋結(jié)構(gòu)。
[0012]優(yōu)選地，所述次級(jí)線圈中的所述反饋電流在所述磁電阻傳感單元串處所產(chǎn)生的反饋磁場(chǎng)方向和所述引線框初級(jí)線圈中的所述檢測(cè)電流在所述磁電阻傳感單元串處所產(chǎn)生的檢測(cè)磁場(chǎng)方向相反。
[0013]優(yōu)選地，還包括信號(hào)處理電路，所述集成電流傳感器包括所述Z軸梯度計(jì)和所述引線框初級(jí)線圈時(shí)，所述Z軸梯度計(jì)信號(hào)輸出端與所述信號(hào)處理電路相連，所述信號(hào)處理電路根據(jù)所述Z軸梯度計(jì)測(cè)量的檢測(cè)磁場(chǎng)梯度來確定所述檢測(cè)電流的值。
[0014]優(yōu)選地，還包括信號(hào)處理電路，所述集成電流傳感器包括所述Z軸梯度計(jì)、所述引線框初級(jí)線圈和所述次級(jí)線圈時(shí)，所述信號(hào)處理電路為負(fù)反饋電路，包括信號(hào)放大器、電源控制器和反饋電流采集器，所述Z軸梯度計(jì)信號(hào)輸出端與所述信號(hào)放大器相連，在所述引線框初級(jí)線圈輸入檢測(cè)電流，所述檢測(cè)電流在所述Z軸梯度計(jì)處產(chǎn)生檢測(cè)磁場(chǎng)，經(jīng)信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)放大后，作為反饋信號(hào)輸入到與所述次級(jí)線圈相連的所述電源控制器，所述電源控制器調(diào)節(jié)所述次級(jí)線圈中的所述反饋電流，從而使得磁電阻傳感單元處檢測(cè)磁場(chǎng)和反饋磁場(chǎng)相抵消，所述Z軸梯度計(jì)處輸出信號(hào)為0，所述反饋電流采集器與所述電源控制器相連，根據(jù)所述反饋電流的值來確定所述檢測(cè)電流的值。
[0015]優(yōu)選地，所述信號(hào)處理電路可以為ASIC芯片。
[0016]優(yōu)選地，封裝時(shí)，所述引線框初級(jí)線圈和所述Z軸梯度計(jì)封裝在一起，或者將所述引線框初級(jí)線圈、所述Z軸梯度計(jì)和所述次級(jí)線圈、所述ASIC芯片封裝在一起。
[0017]優(yōu)選地，所述集成電流傳感器在封裝之后，還可以包含軟磁屏蔽器，所述軟磁屏蔽器位于所述Z軸梯度計(jì)上方。
[0018]優(yōu)選地，所述檢測(cè)電流幅值范圍在5-50A范圍內(nèi)。
[0019]優(yōu)選地，所述軟磁通量集中器為選自Co、Fe和Ni中的一種或幾種元素組成的軟磁
I=I O
[0020]優(yōu)選地，所述次級(jí)線圈材料為Au、Cu、Ag或者Al。
【附圖說明】
[0021]圖1為U形初級(jí)線圈集成電流傳感器三維結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為U形初級(jí)線圈集成電流傳感器平面結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3為U形初級(jí)線圈集成電流傳感器磁阻梯度傳感器全橋電連接圖；
[0024]圖4為引線框初級(jí)線圈集成電流傳感器三維結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖5為引線框初級(jí)線圈集成電流傳感器平面結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖6為引線框初級(jí)線圈集成電流傳感器磁阻梯度傳感器半橋電連接圖；
[0027]圖7為Z軸磁電阻梯度傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖8為Z分量外磁場(chǎng)測(cè)量原理圖；
[0029]圖9為Z軸磁電阻梯度計(jì)全橋結(jié)構(gòu)電連接圖；
[0030]圖10為Z軸梯度計(jì)和引線框初級(jí)線圈集成電流傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖11為Z軸梯度計(jì)對(duì)引線框初級(jí)線圈電流磁場(chǎng)測(cè)試原理圖；
[0032]圖12為Z軸梯度計(jì)和引線框初級(jí)線圈以及次級(jí)線圈集成電流傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖13為Z軸梯度計(jì)對(duì)引線框初級(jí)線圈和次級(jí)線圈電流磁場(chǎng)測(cè)試原理圖；
[0034]圖14為集成電流傳感器信號(hào)處理圖；
[0035]圖15為帶ASIC信號(hào)處理電路的集成電流傳感器；
[0036]圖16為集成電流傳感器的封裝結(jié)構(gòu)圖。
[0037]相對(duì)于Z軸Hall梯度傳感器，在先前專利中，已經(jīng)提出了一種磁電阻Z軸梯度傳感器芯片(申請(qǐng)?zhí)?014102384186)，如圖7所示，包括襯底10、位于襯底之上的兩個(gè)分開梯度特征間距為Lg的長條形軟磁通量集中器Al和BI，所述長條形軟磁通量集中器長軸為Y方向，短軸為X方向，所述磁電阻傳感單元串分別位于長條形軟磁通量集中器Al和BI上表面或者下表面，且距離軟磁通量集中器長軸中心線11具有相同距離的Yl，Y2兩個(gè)位置處，其中對(duì)Z軸外磁場(chǎng)分量測(cè)量原理如圖8所示，當(dāng)來自于Z軸的外磁場(chǎng)分量Hz分別作用于軟磁通量集中器Al和BI所在的位置時(shí)，Hz分量被扭曲成具有X和-X方向，且幅度相同外磁場(chǎng)分量Hxl和-Hxl，由于Yl和Y2位置處的磁電阻傳感單元串同為X方向或者-X方向的磁場(chǎng)敏感方向，從而實(shí)現(xiàn)Z磁場(chǎng)分量的差分測(cè)量，所述磁電阻傳感單元串之間電連接成梯度傳感器全橋結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中圖9(a)中Al中的磁電阻傳感器單元串連接成半橋結(jié)構(gòu)，并通過中間信號(hào)輸出端V-輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)Al處Z磁場(chǎng)分量的測(cè)量，而BI中的磁電阻傳感單元串連接成半橋結(jié)構(gòu)，也通過中間信號(hào)輸出端V+輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)BI處Z磁場(chǎng)分量的測(cè)量，Al和BI處的Z磁場(chǎng)信號(hào)分量差值即為兩個(gè)信號(hào)輸出端V+和V-的差值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Z磁場(chǎng)梯度的測(cè)量，圖9(b)為典型的梯度傳感器結(jié)構(gòu)，位于Al和BI的相同一側(cè)位置Yl或Y2處的磁電阻傳感單元串分別連接成一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，而后兩個(gè)半橋之間實(shí)現(xiàn)差分，輸出即為Al和BI處的Z磁場(chǎng)差分量。
[0038]因此本發(fā)明將以上所提出的一種磁電阻Z軸梯度傳感器來取代Hall Z軸梯度傳感器結(jié)合引線框電流實(shí)現(xiàn)一種集成電流傳感器，該集成電流傳感器將具有高精度和高電流幅度的優(yōu)點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0040] 實(shí)施例一
[0041 ]圖10為采用Z軸梯度計(jì)和引線框電流的集成電流傳感器結(jié)構(gòu)圖，包括Z軸梯度計(jì)13和引線框初級(jí)線圈15，所述引線框初級(jí)線圈15包括位于所述Z軸梯度計(jì)13正下方或者正上方的長條形電流檢測(cè)帶151，還