專利名稱：隔離式電壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用磁性隧道結(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)器件的隔離 式模擬電壓傳感器，特別涉及一種利用磁性隧道結器件測量連接到測試點之間的分流電阻 線圈的電流來測量測試點之間電壓的電壓傳感器。
背景技術：
電壓測量是工業、消費電子和醫療電子應用領域中的一個重要組成部分。通常，這 些應用中存在危險電壓、瞬變信號、共模電壓和振蕩電勢等不穩定情況，可能使電子系統受 到破壞，嚴重的情況下，可能對與電子設備接觸的人員造成身體傷害。要克服這些缺點，電 子測試、測量和控制系統往往需要與待測網絡電氣隔離。電氣隔離通常對模擬前端電路和后端的系統采用不同的接地，以消除前端共模輸 入信號的偏差對后端系統的影響。此外，前端往往是浮動接地，可以在與后端系統具有電勢 差的情況下工作。將共模電壓與電子系統隔離通常采用電感耦合、電容耦合或光學耦合。變壓器和 電容器分別是最常用的電感耦合和電容耦合方法。在不使用編碼技術的情況下，如對電路 輸入側的電壓-頻率轉換，電容器和變壓器技術僅限于交流信號。變壓器相對來講成本較 高，且難以在保持高靈敏度和低頻性能的條件下內置于集成電路中。電容很容易集成到集 成電路當中，但是，除了高頻信號，它需要一個有源的前端編碼器將信號編碼以傳遞輸出。 此外，有源前端電路也對電壓瞬變敏感，因而與對電壓或電流瞬變敏感的后端系統不兼容。 光隔離器是相對電容隔離更為昂貴的技術，并僅限于相對低功耗的應用。磁模擬信號隔離器件目前應用較少，原則上包括一個產生磁場的線圈，和一個檢 測該磁場的磁傳感器。由于磁傳感器檢測的是磁場絕對值，而不是磁場的變化速度，因而低 頻時的靈敏度不會減小。若采用一個高靈敏度、高分辨力的磁性傳感器，這樣產生磁場的線 圈不用繞很多圈，從而可以做得很小。此外，如果磁性傳感器適合使用標準的半導體工藝生 產，這樣就非常容易將整個磁隔離設備集成到小體積、低成本、單片式的半導體芯片中。有多種手段可以用來檢測磁信號，其中有多種磁敏技術可以集成到半導體芯片當 中。這些技術包括霍爾傳感器和磁電阻傳感器，其中磁電阻器件包括各向異性磁電阻(AMR， Anisotropic Magnetoresistance)禾口巨磁電阻(GMR,Giant Magnetoresistance)。霍爾效 應器件價格相對較高而分辨率較差。AMR和GMR器件雖然具有相對高的分辨率，但信號幅值較 小，因而使得后端電路設計相對復雜，這使得整個系統的復雜性和尺寸增加，整體成本增加。MTJ磁性傳感器件通過使用隧道磁電阻(TMR，TunnelMagnetoresistance)效應檢 測磁場的大小，具有體積小、分辨率高、信號幅值大的特點。這些特點可以用來簡化后端電 子系統的設計，從而降低系統的整體成本。
發明內容
為了克服現有技術當中的上述缺點，本發明提供與被測電路電氣隔離，具有數字化輸出，精度和分辨率更高的隔離式電壓傳感器，即一種采用磁性隧道結器件的隔離式模 擬電壓傳感器。本發明一方面提供一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器，主要用來測量電路中兩個 節點之間的電勢差，該傳感器包括一串聯的內部電阻與電壓分流線圈，其串聯在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器，該傳感器與電壓分流線圈緊鄰配置，并與其磁耦合；該磁性傳感器 檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應該電流輸出一電壓信號，該輸出電壓信號代表隔離 式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差；一對電壓信號進行采樣并轉換成數字形式的采樣模塊；一對采樣數據處理的數據處理模塊；一將處理后的數據轉換成可與后續的離片系統數據形式相兼容的接口邏輯模塊。進一步地，磁性傳感器可以是由MTJ器件組成的。進一步地，磁性傳感器、采樣模塊、數據處理模塊、接口邏輯模塊與分流電阻線圈 和輸入信號電氣和物理隔離。隔離是通過使用的磁耦合和絕緣介電層實現的。進一步地，磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器偏置電壓響應特征曲線可以用來控制傳感器的響應的幅值。優選地，至少有一個磁性傳感器具有一片上電磁鐵，用于改善傳感器的響應的線 性。本發明另一方面提供一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器，主要用來隔離模擬輸入 信號和模擬輸出信號，該傳感器包括一串聯的內部電阻與電壓分流線圈，串聯在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器，該傳感器與電壓分流線圈緊鄰配置，并與其磁耦合；該磁性傳感器 檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應該電流輸出電壓信號，該輸出電壓信號代表隔離式 電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差。進一步地，磁性傳感器由MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器與分流電阻線圈的輸入信號電氣和物理隔離。電氣隔離是 通過使用的絕緣介電層實現的。進一步地，磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器的偏置電壓響應特性曲線，可以用來控制傳感器的響應的幅值。進一步地，至少有一個磁性傳感器具有一個片上電磁鐵，用于線性化傳感器的響應。按照本發明所提供的技術方案，該傳感器與被測網絡電氣隔離，通過檢測流過并 聯到測試點之間的分流電阻線圈的電流來測量測試點之間的電壓。利用經絕緣電介質與分 流電阻線圈隔離的磁性傳感器來測量線圈中的電流，則測試點之間的電壓與通過分流電阻 線圈的電流成正比。此外，該電壓傳感器通過控制磁性傳感器的偏置電壓以自動調節量程， 并能計算如頻率、峰值電壓、方均根(RMS，Root Mean Square)電壓及瞬時電壓等所需的電 路參數。同時電壓傳感器能提供后續應用所需的不同數據形式，并具備與后續的與電源隔離的數字通信系統就電路參數通信的能力。這使得電壓傳感器不再需要進行電氣隔離和對 離散的模擬信號進行數據轉換，這進一步簡化了電壓測量系統的整體設計并使整體成本進 一步降低。以上所述的電壓傳感器，采用MTJ器件作為磁性敏感元件，MTJ器件的輸出線性正 比于加到MTJ器件上的偏置電壓，該MTJ器件的偏置電壓被用來對傳感器的輸出進行自動 縮放調整。其中，MTJ器件具有一個片上電磁鐵，片上電磁鐵用以線性化MTJ傳感器的響應。有益效果本發明主要通過磁場來測量負載兩端的電壓。由于磁場的測量都是與負載工作的 電路相互電氣隔離，因而測量用的集成芯片與待測網絡之間沒有直接的電氣連接。因此，關 鍵的電子器件與供電導線之間隔離，這極大的增強了測量系統對供電電壓不穩定時出現的 瞬變的耐受能力，因而工作更加穩定可靠。本發明所述具有數字輸出的電壓傳感器，具備對如峰值電壓、RMS電壓、直流電壓 和頻率等電路參數進行計算的能力，這些參數可能在電能計量中使用。電壓傳感器能提供 后續計量應用的不同數據形式，并具備與后續的與電源隔離的數字通信系統就電路參數通 信的能力。這使得后續系統不再需要進行電氣隔離和對離散的模擬信號進行數據轉換，這 進一步簡化了電壓測量系統的整體設計，并使整體成本進一步降低。從以上發明內容，結合磁性隧道結MTJ本身的特點，可以看出本發明所提供的電 壓傳感器，具有整體成本更低、工作穩定性高、測量系統與待測的網絡電氣隔離的特點。并 且，采用MTJ器件后，系統的靈敏度高，分辨率高，前端電路設計簡單，并可以提供與后端的 具體應用系統匹配的數據形式，便于與后續電路接口。
圖1是采用MTJ器件和分流電阻線圈來測量電路中A、B兩點之間電勢差、并具有 數字輸出的完全集成式隔離電壓傳感器的示意圖。圖2是用于控制輸出信號幅值的MTJ器件輸出對偏置電壓的響應曲線圖。圖3是采用片上電磁鐵控制輸出信號幅值的MTJ裝置的示意圖。圖4是采用MTJ器件和分流電阻線圈來測量電路中A、B兩點之間電勢差并具有模 擬輸出的完全集成式隔離電壓傳感器的示意圖。圖5是顯示MTJ器件相對于推挽工作的分流電阻線圈的位置關系的完全集成式電 壓傳感器的透視圖。圖6是單片隔離式電壓傳感器半導體芯片的橫截面圖。圖7是包含有反饋線圈的單片隔離式電壓傳感器芯片的橫截面圖。
具體實施例方式本發明所述獨立封裝、電氣隔離的電壓傳感器如各圖中的標號18所示。如圖1所 示，電壓傳感器18的輸入端6和7連接到與電源1、負載2關聯的測試點A和B，用以測量 A、B之間的電壓。電壓傳感器18內的分流線圈3與電壓傳感器18內的一個電阻串聯。 分流線圈3的一端連接到輸入端6，電阻的一端連接到輸入端7。A和B之間的電勢差5產生一個電流流過分流線圈3。通過分流線圈3的電流Isc的大小為Isc = (Va-Vb)/Rsc = V/Rsc方程式 1流過分流線圈3的電流Ise產生一個磁場H.MTJ器件11與分流線圈3磁耦合，MTJ器件11對流過分流線圈3的電流Isc所產 生的磁場H敏感。MTJ器件11就是通過檢測電流Ise產生的磁場H來確定待測電路中A、B 兩點之間的壓降AV = (Va-Vb)。方程式 2在電壓測量應用中，電壓傳感器18中的電阻Rsc必須遠大于待測電路的等效電阻 RlMd2。在諸如住宅電表計量的應用中，負載電阻2 —般小于100 Ω。分流線圈電阻的上 限由該傳感器所需的分辨率決定，下限由待測電路2的等效電阻決定。對于實際應用，分流 線圈電阻&。應至少100倍于負載電阻2，在家庭應用中，可以將該電阻設定為> 10kQ。響應分流線圈3中的電流，MTJ器件11輸出一個電壓VM ，其正比于電壓傳感器18 的輸入端6、7之間的電勢差Δν。隨時間變化的電壓信號Vmtt以數字化的形式提供給微處 理器15，以便計算電路參數，這些參數包括但不限于瞬時電壓、方均根(RMS)電壓、峰值電 壓、直流電壓和頻率。可以有多種方法，從MTJ器件11兩端輸出電壓VMTJ，獲取可以送給微處理器15的 電壓傳感器輸入端6和7的電壓。通常，在傳遞給微處理器15之前，Vmtt需要使用一個模數 轉換器ADC14進行采樣和數字化。模數轉換器ADC 14的采樣速率必須至少兩倍于輸入信 號的諧波的最高頻率。由微處理器15精確計算所需參數，依賴于MTJ器件11所提供的縮放電壓VM 。每 個波形的縮放因子依使用情況和傳感器的具體特性而定。為了簡化隔離式電壓傳感器18的設計和提高準確性，可以調節MTJ器件11的輸 出，以保持在ADC14的最佳輸入范圍內。有兩種簡單的可供選擇的控制MTJ磁性傳感器響 應的方法，一種是如圖2中所示控制MTJ器件的偏置電壓；另一種是如圖3所示的，采用閉 環工作的MTJ補償供電導線或電壓分流線圈3提供給傳感器的磁場。圖2顯示了典型的MTJ傳感器的磁場靈敏度隨偏置電壓的響應曲線。對于較大的 偏置電壓VBiasl，其響應曲線如70所示，對于較小的偏置電壓VBias2，其響應曲線如71所示。 在低場區，傳感器的輸出Vmu線性正比于外加磁場H。隨著傳感器偏置電壓的變化，響應曲 線的斜率β (Vmas) = VMTT/HS。發生改變。假定響應曲線的斜率β (Vmas)已知，VBias可能會 各有不同，以最大限度地提高ADC14的信噪比(S·)。這可以通過使用微處理器15來計算 傳感器的最佳偏置電壓VBias，再將電壓經導線50反饋到MTJ器件(如圖1所示)。然后，微 處理器15對波形進行如下縮放RAV = ^ SC 、^Ty方程式 3^ScPVBias)其中，α sc = Hsc/Isc是一個依賴于分流線圈3幾何形狀的常數。圖3顯示一種提高磁場傳感器線性的方法，其中傳感器被提供一個與待測場Hse84 反向的補償磁場Hfb85。這通常被稱為閉環系統82。在這個閉環方法中，補償磁場Hfb 85與 分流線圈磁場Hsc84相反，由片上電磁鐵81提供。在閉環模式下，通過改變通過片上電磁鐵 81的電流而使MTJ傳感器80的輸出VMTJ83保持不變。由于流過片上電磁鐵81的反饋電流Ifb 86正比于電磁鐵的補償磁場Hfb 85，同時補償磁場Hfb85等于待測磁場Hsc84，因此流過 片上電磁鐵81的反饋電流Ifb 86直接正比于A、B兩點的電勢差M。如果電磁鐵81的校 正常數為aFB = HFB/IFB，則A、B兩點的電勢差Δ V如下式給出ΔΓ = ^t/仲方程式 40cSC通常很容易設計微處理器15，以提供合適的校準參數以及控制偏置電壓或反饋電 流使MTJ器件的輸出保持在ADC 14的最佳響應范圍內，而不需使用可變增益前置放大器。電壓傳感器18旨在提供一數字信號，以將所測量參數可與包含數據記錄器、微處 理器的一外部系統或使用于電能計量應用中的其它電子系統相通信。為了做到這一點，由 微處理器15計算和輸出量須轉換成與離片的外部系統相兼容的數據格式。因此，該電壓傳 感器包括一個接口邏輯電路16，能將數據轉換成包括但不限于USB、RS-232、I2C或SPI等 標準的數據格式，最后經隔離輸出19輸出數據。如圖4所示，是電壓傳感器18作為模擬電壓信號隔離器的一個可供選擇的布置方 案。如圖4，電壓傳感器18的輸入端6、7連接到與電源1、負載電阻2關聯的測試點A和B， 用以測量Α、Β之間的差分電壓。電壓傳感器18內部的一個分流線圈3與電壓傳感器18內 部的電阻Rse串聯。分流線圈3的一端與輸入端6相連，內部電阻Rse的一端與輸入端7相 連。A和B兩點之間的電勢差產生一個電流流過分流線圈3。響應分流線圈3中的電流，MTJ器件11輸出一個電壓Vto，正比于電壓傳感器18 輸入端6、7之間的電勢差AV。隨時間變化的電壓信號Vmtt直接被提供給隔離模擬輸出40 進行輸出。由于分流線圈3與MTJ器件11電氣隔離，使得電壓傳感器18的模擬信號輸出 與輸入信號ΔΥ電氣隔離。為了提高MTJ器件11響應的線性度，并能自動調整Vmtt的響應 范圍，一模擬輸入線路65被用來提供反饋電流或偏置電壓給MTJ器件11。如圖5所示，是單片的隔離電壓傳感器18集成電路的透視圖。在這種情況下， 兩個小尺寸的MTJ器件11都集成到了基板20上。兩個MTJ器件11都包裹在厚厚的絕 緣介電層25內部，絕緣介電層25可以包含各種絕緣介電材料，包括但不限于聚酰亞胺 (polyimide) ,SU-8 環氧樹脂，雙苯并環丁烯(BCB，bisbenzocyclobutene)，氮化硅(SiNx)， 氧化硅(SiOx)，或氧化鋁(AL203)。一個纏繞的扁平分流線圈3形成在絕緣介電層25的頂 部。分流線圈3和兩個MTJ器件11布置成使兩個MTJ器件11分別由分流線圈3產生的磁 場+ffi6、-H27在相反的方向驅動。這通常稱為推挽布置。推挽技術能盡量減少周圍環境雜 散磁場的影響。可將各種電接觸墊放置在絕緣介電層25頂部，且可以相應的設置多個接線 引腳14，線圈分流電阻&。直接沉積在基板20上。以此方式集成時，可很容易地將單片式 電壓傳感器芯片封裝成不同形狀，包括但不限于TS0P，MSOP, DIP等各種芯片封裝格式。圖6是單片式電壓隔離器芯片的橫截面圖。該單片式電壓隔離器芯片包括一磁屏 蔽和/或磁聚集器30，該磁屏蔽和/或磁聚集器30同時具有對分流線圈3的磁場放大的作 用和屏蔽環境中雜散磁場的影響的作用。圖7所示是另一種單片電壓傳感器芯片，該芯片包括一個反饋線圈5，其產生反饋 磁場+HFB29，-HFB27用來線性化單片電壓傳感器的響應，并擴展其響應范圍。在圖6和圖7所示的兩種單片式電壓傳感器方案中，ADC模數轉換器14，微處理器 15和接口邏輯16都可以集成到基板20上。這是低成本電壓傳感器的優選實施方案。
以上對本發明的特定實施例結合圖示進行了說明，但本發明的保護內容不僅僅限 定于以上實施例，在本發明的所屬技術領域中，只要掌握通常知識，就可以在其技術要旨范 圍內，進行多種多樣的變更。
權利要求
1.一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器(18)，其主要用來測量電路中兩個節點之間的 電勢差，其特征是所述傳感器包括串聯的內部電阻(Rsc)與電壓分流線圈(L)，串聯在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器(11)，該傳感器與電壓分流線圈(L)緊鄰配置，并與其磁耦合，該磁性傳 感器檢測流過電壓分流線圈(L)的電流(Isc)，并響應該電流(Isc)輸出一電壓信號(Vmtj)， 該輸出電壓信號代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差；一對模擬電壓信號進行采樣并轉換成數字形式的采樣模塊(14)；一對采樣數據處理的數據處理模塊(15)；一將處理后的數據轉換成可與后續的離片系統數據形式相兼容的接口邏輯模塊(16)。
2.如權利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器包括MTJ器件。
3.如權利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器、采樣模塊、數據處理 模塊、接口邏輯模塊與分流電阻線圈、輸入信號電氣和物理隔離，隔離是通過使用的絕緣介 電層來實現的。
4.如權利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器由至少一個MTJ器件 組成。
5.如權利要求4所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器具有用以控制傳感器 的響應幅值的一偏置電壓響應特征曲線。
6.如權利要求4所述的電壓傳感器，其特征是至少有一個磁性傳感器具有一個用以 線性化傳感器響應的片上電磁鐵。
7.—種獨立封裝的隔離式電壓傳感器(18)，主要用來隔離模擬輸入信號和模擬輸出 信號，其特征是所述傳感器包括一串聯的內部電阻(Rsc)與電壓分流線圈(L)，串聯在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器(11)，該傳感器與電壓分流線圈(L)緊鄰配置，并與其磁耦合，該磁性傳 感器檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應該電流輸出一電壓信號(Vmtt)，該輸出電壓信號 代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差。
8.如權利要求7所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器包括MTJ器件。
9.如權利要求7所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器與輸入信號、分流電阻 線圈電氣和物理隔離，隔離是通過使用的絕緣介電層來實現的。
10.如權利要求7所述的電壓傳感器，其特征是磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。
11.如權利要求10所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器具有用以控制傳感器 的響應幅值的的一偏置電壓響應特征曲線。
12.如權利要求10所述的電壓傳感器，其特征是至少一個磁性傳感器具有一用以線性 化傳感器響應的片上電磁鐵。
13.一種采用MTJ器件的隔離式電壓傳感器，其特征是MTJ器件的輸出線性正比于加 到MTJ器件上的偏置電壓，所述MTJ器件及其偏置電壓被用來對傳感器的響應進行自動縮 放調整。
14.一種采用MTJ器件的隔離式電壓傳感器，其特征是MTJ器件具有一片上電磁鐵，所 述片上電磁鐵用以線性化MTJ傳感器的響應。
全文摘要
一種隔離式電壓傳感器，用于測量電路或輸電網絡中兩個節點之間的交流或直流電壓，該電壓與兩個節點的共模電勢電氣隔離。電路中兩測試點之間的電壓降是通過檢測流過并聯到測試點之間的分流電阻線圈的電流來測量的，流過分流電阻線圈的電流與測試點之間的電壓成線性正比，利用經絕緣電介質與分流電阻線圈隔離的磁性傳感器檢測線圈中電流的關聯磁場，可以測得分流電阻線圈中的電流。該傳感器可封裝成標準的集成電路，從而提供了一種體積小、成本低的電壓傳感器，用于測試、測量、控制和信號隔離等應用場合。
文檔編號G01R19/25GK102043089SQ20101051889
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者沈衛鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司