專利名稱：新型巨磁阻集成電流傳感器的制作方法
技術領域：
新型巨磁阻集成電流傳感器
技術領域：
本實用新型涉及一種用于測量直流、交流、脈沖電流的GMR集成電流傳感器，具體 地說是一種新型巨磁阻集成電流傳感器，屬于電流測量裝置技術領域。
背景技術：
電流傳感器用于探測和隔離測量直流、交流電流，廣泛應用于工業儀表、工業過程 控制和PCB電流檢查等。目前廣泛采用的電流測試器件或裝置主要有電流互感器、霍爾電 流傳感器等(圖1、圖2所示)。電流互感器通過主回路隔離進行檢測，但它的測試頻率范 圍窄。霍爾電流傳感器利用霍爾元件測量被測電流在鐵芯氣隙里的感應強度來判斷被測電 流大小的。霍爾元件的體積大，能耗較高，溫度特性較差。上個世紀八十年代末期，科學界 發現了巨磁阻效應(Giant Magneto-Resistive, GMR)，即磁性材料的電阻率在有外磁場作 用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。它產生于層狀的磁性薄膜結構，這種結構 是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。鐵磁材料磁矩的方向是由加到鐵磁材料的 外磁場控制的，磁阻的變化正比于外磁場，從而可以實現將磁場變量轉換成電量，因此，根 據巨磁阻效應可以設計一種新型巨磁阻集成電流傳感器。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題和提出的技術任務是克服現有技術的缺陷，提供一 種特別適用于對小電流的測量，響應速度快、精度高、穩定性好的新型巨磁阻集成電流傳感 器。為此，本實用新型采用如下技術方案新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻 單元及其電連接所構成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導線，所述 的集成導線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離。當被測電流通過集成電流導線時， 電流產生的磁場可被GMR惠斯通電橋檢測并將磁信號轉換為電信號輸出。因此，當有電流 流過集成電流導線時會在其周圍產生磁場，基于巨磁阻效應，微小磁場變化可導致的磁性 材料電阻率的明顯變化，本實用新型的新型傳感器能夠靈敏準確地感應這個的磁場，可將 磁信號精確的轉換成電信號，進而可將被測電流的大小輸出，進行檢測。憑借巨磁電阻的高 靈敏度和良好頻率特性，該電流傳感器能夠為不同領域的電流測量提供精確可靠的解決方 案。此外，通過微細加工技術，將四個巨磁電阻與導線以一種特定的方式集成在一起，可實 現器件的小型化和低功耗。對于上述技術方案的完善和補充，可以增加如下技術特征或其組合所述的GMR磁敏電阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。蛇形電阻 均勻性好，能精確而敏銳地探測外界磁場的大小和變化，自旋閥材料刻蝕制造，便于生產， 成本較低。所述的GMR自旋閥材料是多層膜結構，包括自上而下依次排列的釘扎層、被釘扎 層、非磁透明層和自由鐵磁層。其中釘扎層為反鐵磁性物質，被釘扎層和自由鐵磁層為鐵磁性物質，非磁性透明層為起隔離作用的非磁性物質。釘扎層將被釘扎層的磁矩“釘扎”在某 一個固定的方向。當被釘扎層和自由磁鐵層的磁矩方向平行時，這一結構呈低阻態；當兩者 的磁矩方向反平行時，這一結構呈高阻態。因此，自旋閥材料的多層膜結構產生的電阻值會 隨外界磁場的變化而發生改變，該特性可用于檢測集成電流導線通電時所產生的電磁場， 其測量范圍和精度優于現有技術中的傳感器結構。所述的自由鐵磁層材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復合層。所述的非磁透明層是Cu金屬層。所述的被釘扎層可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序為CoFe合金層/Ru 金屬層/CoFe合金層的復合層。所述的釘扎層可為IrMn合金層、NiMn合金層、PtMn合金層或CrPtMn合金層。GMR磁敏電阻單元工作在線性模式下被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層 的交換耦合固定在磁場敏感方向上。而自由層的磁化方向沒被固定，可隨信號磁場而轉動。 在沒有外加磁場時，自由層的磁化方向與敏感方向成90°。當有電流通過線圈時，就會在磁 場敏感方向上產生磁場，進而引起GMR單元的電阻產生AR的變化量。所述的4個GMR磁敏電阻單元和集成電流導線上方設置有由高磁導率的軟磁材料 Ni、Fe、NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成的軟磁屏蔽層。為進一步提高器件性能、屏蔽外來磁場的干擾和進一步增大電橋的輸出，在GMR 電橋和集成導線上方可添一層軟磁屏蔽層，該軟磁屏蔽層由高磁導率的軟磁材料Ni、Fe、 NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成，其功能是屏蔽外界磁場對GMR磁敏電阻單元的影 響，同時當有被測電流通入集成電流導線時，它還可以增強電流所產生的作于在GMR磁敏 電阻單元上的磁場強度。換言之，它不僅能提高傳感器的抗外界磁場干擾能力而且還能提 高傳感器對電流的靈敏度進而增加電橋的輸出。所述的4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，所 述的第一電阻和第三電阻位于集成電流導線的輸入段，所述的第二電阻和第四電阻位于集 成電流導線的輸出段，所述的4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導線的相對位置形成輸出 “推_拉結構”。由于GMR磁敏電阻單元的四個電阻位于集成電流導線的輸入段、輸出段的不同位 置，當集成電流導線中有電流流過產生磁場時，其中兩個電阻的阻值增加，另外兩個阻值減 小。這樣惠斯通電橋就失去平衡，其輸出與在集成電流導線中被測電流I成正比。本實用新型利用GMR惠斯通電橋檢測集成電流導線中流過的電流，將電流產生的 磁信號轉換為電信號輸出，響應速度快、測試頻率范圍廣、穩定性好，可通過為精細加工工 藝制造層狀結構，工藝簡單，便于制造，體積小、成本低。
圖1為現有技術的電流互感器的工作原理圖；圖2為現有技術霍爾電流傳感器的工作原理圖；圖3為本實用新型實施例的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例中GMR自旋閥材料的結構示意圖；[0022]圖5為本實用新型實施例中GMR蛇形電阻的結構示意圖；圖6為本實用新型實施例的響應速度曲線圖；圖7為本實用新型實施例中GMR惠斯通電橋的簡化電路結構示意圖；圖8為本實用新型實施例的版圖示意圖。圖中1、釘扎層，2、被釘扎層，3、非磁透明層，4、自由鐵磁層，5、軟磁屏蔽層，6、基 底，7、絕緣層，ri、GMR磁敏電阻與集成電流導線的距離，r2、集成電流導線的輸入段與輸出段 的距離，R1、第一電阻，R2、第二電阻，R3、第三電阻，R4、第四電阻。
具體實施方式下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本實用新型的實質性特點作進一步的說 明。圖1、圖2分別為現有技術中電流互感器、霍爾電流傳感器的工作原理圖。如圖3所示，新型巨磁阻集成電流傳感器，包括位于基底6上的4個GMR磁敏電 阻單元R1、R2、R3、R4及其電連接所構成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集 成電流導線，集成導線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層7隔離。4個GMR磁敏電阻單 元和集成電流導線上方設置有軟磁屏蔽層5。4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電 阻、第三電阻和第四電阻，所述的第一電阻和第三電阻位于集成電流導線的輸入段，所述的 第二電阻和第四電阻位于集成電流導線的輸出段。軟磁屏蔽層5是由高磁導率的軟磁材料 Ni,Fe,NiFe合金、NiFeB合金的一種或多種組成。在本新型實用設計中，GMR惠斯通電橋與 集成電流導線間因夾有一絕緣層7(如Si3N4或Al2O3)而相互隔離。4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導線的相對位置形成輸出“推_拉結構”。這種 結構能使傳感器的輸出最大化。圖中的4個GMR磁敏電阻單元R1、R2、R3、R4都直接設置在 距離集成導線下A處，其中Rl和R3位于電流輸入導線段的下方，R2和R4位于電流輸出導 線段的下方。輸入導線段和輸出導線段間的距離為r2。在這種設置下，當集成電流導線中 通有正向電流/時，輸入導線段在Rl和R3處產生的磁場方向和輸出導線段在R2和R4處 產生的磁場方向相反，使傳感器單元Rl和R3與R2和R4的電阻變化方向相反。如R1和 R3增大，則R2和R4減小；R1、R3的電阻減小，則R2、R4的電阻增大。這樣惠斯通電橋失去 平衡，其輸出與所加電流/成正比。它的輸出電壓為
Γ 7/ Vcc · GMR% (1Vout -^-―----I
nejf V\ rI )其中Γι 磁敏傳感器與集成導線之間的距離(um)r2 輸入集成導線與輸出集成導線間的距離(um)I 流過集成導線的電流(mA)Heff 自由層中的有效各向異性能等效磁場(Oe)Vcc:電源電壓(mV)Vout 電橋輸出電壓(mV)如圖4、5、6所示，GMR磁敏電阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。 GMR自旋閥材料是多層膜結構，包括自上而下依次排列的釘扎層1、被釘扎層2、非磁透明層3和自由鐵磁層4。自由鐵磁層材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復 合層。非磁透明層是Cu金屬層。被釘扎層可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序為 CoFe合金層/Ru金屬層/CoFe合金層的復合層。釘扎層可為IrMn合金層、NiMn合金層、 PtMn合金層或CrPtMn合金層。被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層的交換耦合固定 在縱向(y方向)。而自由層的磁化方向沒被固定，可隨信號磁場的變化而轉動。GMR磁敏 電阻單元的電阻變化量AR隨自由層磁化方向而改變，并且正比于自由層磁化方向與χ軸 夾角的正弦值。由能量平衡關系可以推出，Δ R也因此正比于其感應的磁場強度。如圖7所示，給出的是由圖3簡化提取出的惠斯通電橋電路。如圖8所示，軟磁屏蔽層5集成在GMR電橋和電流導線的正上方，可采用NiFe合 金層。它不僅可屏蔽外來磁場對GMR惠斯通電橋的干擾還可通過它的磁聚集效應加大集成 電流導線中的電流產生的作用在GMR磁敏電阻單元上的磁場。從原理上講，增強的磁場最 多可接近無屏蔽層時電流所產生磁場的兩倍。這樣，GMR惠斯通電橋對電流的靈敏度會大 大提高，從而使輸出進一步增強。實際制造時，現在基底上沉積GMR多層膜，依次為自由鐵磁層4、非磁透明層3、被 釘扎層2、釘扎層1，然后刻蝕形成GMR磁敏電阻單元，沉積絕緣層，再刻蝕絕緣層形成接觸 孔，沉積連接金屬，將金屬層刻蝕形成GMR磁敏電阻單元之間的連線，使四個GMR磁敏電阻 單元構成惠斯通電橋，然后第二次沉積絕緣層7，使惠斯通電橋與集成電流導線徹底隔離， 還可根據產品生產標準選擇性電鍍軟磁屏蔽層5、沉積鈍化層并刻蝕鈍化層以形成連接焊 盤的通孔，在完成元器件制作工藝后就可以進行期間的切割和封裝，從而制成GMR集成電 流傳感器。根據應用的不同，封裝可采用多用形式。本實用新型的制造需要利用為精細加工技術，元器件制造工藝簡單，通過在原始 基底上經過沉積、刻蝕、電鍍、鈍化等一系列微精細加工工藝后即可制作完成。以上附圖所示的新型巨磁阻集成電流傳感器是本實用新型的具體實施例，已經體 現出本實用新型實質性特點和進步，可根據實際的使用需要，對GMR磁敏電阻單元及惠斯 通電橋的電路、規格、材質以及排列方式等方面進行修改，在此不多贅述。
權利要求新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻單元及其電連接所構成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導線，所述的集成導線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離。
2.根據權利要求1所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的GMR磁敏電 阻單元是由GMR自旋閥材料刻蝕成的蛇形電阻組成。
3.根據權利要求2所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的GMR自旋 閥材料是多層膜結構，包括自上而下依次排列的釘扎層、被釘扎層、非磁透明層和自由鐵磁 層。
4.根據權利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的自由鐵磁層 材料可為NiFeCo合金層、CoFe合金層或兩種合金組合的復合層。
5.根據權利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的非磁透明層 是Cu金屬層。
6.根據權利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的被釘扎層可 為NiFeCo合金層、CoFe合金層或排列次序為CoFe合金層/Ru金屬層/CoFe合金層的復合層。
7.根據權利要求3所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所述的釘扎層可為 IrMn合金層、NiMn合金層、PtMn合金層或CrPtMn合金層。
8.根據權利要求1-7任一權利要求所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所 述的4個GMR磁敏電阻單元和集成電流導線上方設置有由高磁導率的軟磁材料Ni、Fe、NiFe 合金、NiFeB合金的一種或多種組成的軟磁屏蔽層。
9.根據權利要求1-7任一權利要求所述的新型巨磁阻集成電流傳感器，其特征在于所 述的4個GMR磁敏電阻單元包括第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，所述的第一電 阻和第三電阻位于集成電流導線的輸入段，所述的第二電阻和第四電阻位于集成電流導線 的輸出段，所述的4個GMR磁敏電阻單元與集成電流導線的相對位置形成輸出“推_拉結 構，，。
專利摘要新型巨磁阻集成電流傳感器，屬于電流測量裝置技術領域。現有技術為電流互感器、霍爾電流傳感器，測試頻率范圍窄，體積大，能耗較高，溫度特性較差。本實用新型其特征在于包括位于基底上的4個GMR磁敏電阻單元及其電連接所構成的GMR惠斯通電橋、位于GMR惠斯通電橋上方的集成電流導線，所述的集成導線和GMR惠斯通電橋之間由一層絕緣層隔離，其優點在于利用GMR惠斯通電橋檢測集成電流導線中流過的電流，將電流產生的磁信號轉換為電信號輸出，響應速度快、測試頻率范圍廣、穩定性好，可通過為精細加工工藝制造層狀結構，工藝簡單，便于制造，體積小、成本低。
文檔編號G01R19/00GK201622299SQ200920153359
公開日2010年11月3日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者錢正洪 申請人:錢正洪