专利名称：新型巨磁阻集成电流传感器的制作方法
技术领域：
新型巨磁阻集成电流传感器
技术领域：
本实用新型涉及一种用于测量直流、交流、脉冲电流的GMR集成电流传感器，具体 地说是一种新型巨磁阻集成电流传感器，属于电流测量装置技术领域。
背景技术：
电流传感器用于探测和隔离测量直流、交流电流，广泛应用于工业仪表、工业过程 控制和PCB电流检查等。目前广泛采用的电流测试器件或装置主要有电流互感器、霍尔电 流传感器等(图1、图2所示)。电流互感器通过主回路隔离进行检测，但它的测试频率范 围窄。霍尔电流传感器利用霍尔元件测量被测电流在铁芯气隙里的感应强度来判断被测电 流大小的。霍尔元件的体积大，能耗较高，温度特性较差。上个世纪八十年代末期，科学界 发现了巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive, GMR)，即磁性材料的电阻率在有外磁场作 用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构 是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。铁磁材料磁矩的方向是由加到铁磁材料的 外磁场控制的，磁阻的变化正比于外磁场，从而可以实现将磁场变量转换成电量，因此，根 据巨磁阻效应可以设计一种新型巨磁阻集成电流传感器。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一 种特别适用于对小电流的测量，响应速度快、精度高、稳定性好的新型巨磁阻集成电流传感 器。为此，本实用新型采用如下技术方案新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于包括位于基底上的4个GMR磁敏电阻 单元及其电连接所构成的GMR惠斯通电桥、位于GMR惠斯通电桥上方的集成电流导线，所述 的集成导线和GMR惠斯通电桥之间由一层绝缘层隔离。当被测电流通过集成电流导线时， 电流产生的磁场可被GMR惠斯通电桥检测并将磁信号转换为电信号输出。因此，当有电流 流过集成电流导线时会在其周围产生磁场，基于巨磁阻效应，微小磁场变化可导致的磁性 材料电阻率的明显变化，本实用新型的新型传感器能够灵敏准确地感应这个的磁场，可将 磁信号精确的转换成电信号，进而可将被测电流的大小输出，进行检测。凭借巨磁电阻的高 灵敏度和良好频率特性，该电流传感器能够为不同领域的电流测量提供精确可靠的解决方 案。此外，通过微细加工技术，将四个巨磁电阻与导线以一种特定的方式集成在一起，可实 现器件的小型化和低功耗。对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合所述的GMR磁敏电阻单元是由GMR自旋阀材料刻蚀成的蛇形电阻组成。蛇形电阻 均勻性好，能精确而敏锐地探测外界磁场的大小和变化，自旋阀材料刻蚀制造，便于生产， 成本较低。所述的GMR自旋阀材料是多层膜结构，包括自上而下依次排列的钉扎层、被钉扎 层、非磁透明层和自由铁磁层。其中钉扎层为反铁磁性物质，被钉扎层和自由铁磁层为铁磁性物质，非磁性透明层为起隔离作用的非磁性物质。钉扎层将被钉扎层的磁矩“钉扎”在某 一个固定的方向。当被钉扎层和自由磁铁层的磁矩方向平行时，这一结构呈低阻态；当两者 的磁矩方向反平行时，这一结构呈高阻态。因此，自旋阀材料的多层膜结构产生的电阻值会 随外界磁场的变化而发生改变，该特性可用于检测集成电流导线通电时所产生的电磁场， 其测量范围和精度优于现有技术中的传感器结构。所述的自由铁磁层材料可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或两种合金组合的复合层。所述的非磁透明层是Cu金属层。所述的被钉扎层可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或排列次序为CoFe合金层/Ru 金属层/CoFe合金层的复合层。所述的钉扎层可为IrMn合金层、NiMn合金层、PtMn合金层或CrPtMn合金层。GMR磁敏电阻单元工作在线性模式下被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层 的交换耦合固定在磁场敏感方向上。而自由层的磁化方向没被固定，可随信号磁场而转动。 在没有外加磁场时，自由层的磁化方向与敏感方向成90°。当有电流通过线圈时，就会在磁 场敏感方向上产生磁场，进而引起GMR单元的电阻产生AR的变化量。所述的4个GMR磁敏电阻单元和集成电流导线上方设置有由高磁导率的软磁材料 Ni、Fe、NiFe合金、NiFeB合金的一种或多种组成的软磁屏蔽层。为进一步提高器件性能、屏蔽外来磁场的干扰和进一步增大电桥的输出，在GMR 电桥和集成导线上方可添一层软磁屏蔽层，该软磁屏蔽层由高磁导率的软磁材料Ni、Fe、 NiFe合金、NiFeB合金的一种或多种组成，其功能是屏蔽外界磁场对GMR磁敏电阻单元的影 响，同时当有被测电流通入集成电流导线时，它还可以增强电流所产生的作于在GMR磁敏 电阻单元上的磁场强度。换言之，它不仅能提高传感器的抗外界磁场干扰能力而且还能提 高传感器对电流的灵敏度进而增加电桥的输出。所述的4个GMR磁敏电阻单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所 述的第一电阻和第三电阻位于集成电流导线的输入段，所述的第二电阻和第四电阻位于集 成电流导线的输出段，所述的4个GMR磁敏电阻单元与集成电流导线的相对位置形成输出 “推_拉结构”。由于GMR磁敏电阻单元的四个电阻位于集成电流导线的输入段、输出段的不同位 置，当集成电流导线中有电流流过产生磁场时，其中两个电阻的阻值增加，另外两个阻值减 小。这样惠斯通电桥就失去平衡，其输出与在集成电流导线中被测电流I成正比。本实用新型利用GMR惠斯通电桥检测集成电流导线中流过的电流，将电流产生的 磁信号转换为电信号输出，响应速度快、测试频率范围广、稳定性好，可通过为精细加工工 艺制造层状结构，工艺简单，便于制造，体积小、成本低。

图1为现有技术的电流互感器的工作原理图；图2为现有技术霍尔电流传感器的工作原理图；图3为本实用新型实施例的结构示意图；图4为本实用新型实施例中GMR自旋阀材料的结构示意图；[0022]图5为本实用新型实施例中GMR蛇形电阻的结构示意图；图6为本实用新型实施例的响应速度曲线图；图7为本实用新型实施例中GMR惠斯通电桥的简化电路结构示意图；图8为本实用新型实施例的版图示意图。图中1、钉扎层，2、被钉扎层，3、非磁透明层，4、自由铁磁层，5、软磁屏蔽层，6、基 底，7、绝缘层，ri、GMR磁敏电阻与集成电流导线的距离，r2、集成电流导线的输入段与输出段 的距离，R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻。
具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施方式
对本实用新型的实质性特点作进一步的说 明。图1、图2分别为现有技术中电流互感器、霍尔电流传感器的工作原理图。如图3所示，新型巨磁阻集成电流传感器，包括位于基底6上的4个GMR磁敏电 阻单元R1、R2、R3、R4及其电连接所构成的GMR惠斯通电桥、位于GMR惠斯通电桥上方的集 成电流导线，集成导线和GMR惠斯通电桥之间由一层绝缘层7隔离。4个GMR磁敏电阻单 元和集成电流导线上方设置有软磁屏蔽层5。4个GMR磁敏电阻单元包括第一电阻、第二电 阻、第三电阻和第四电阻，所述的第一电阻和第三电阻位于集成电流导线的输入段，所述的 第二电阻和第四电阻位于集成电流导线的输出段。软磁屏蔽层5是由高磁导率的软磁材料 Ni,Fe,NiFe合金、NiFeB合金的一种或多种组成。在本新型实用设计中，GMR惠斯通电桥与 集成电流导线间因夹有一绝缘层7(如Si3N4或Al2O3)而相互隔离。4个GMR磁敏电阻单元与集成电流导线的相对位置形成输出“推_拉结构”。这种 结构能使传感器的输出最大化。图中的4个GMR磁敏电阻单元R1、R2、R3、R4都直接设置在 距离集成导线下A处，其中Rl和R3位于电流输入导线段的下方，R2和R4位于电流输出导 线段的下方。输入导线段和输出导线段间的距离为r2。在这种设置下，当集成电流导线中 通有正向电流/时，输入导线段在Rl和R3处产生的磁场方向和输出导线段在R2和R4处 产生的磁场方向相反，使传感器单元Rl和R3与R2和R4的电阻变化方向相反。如R1和 R3增大，则R2和R4减小；R1、R3的电阻减小，则R2、R4的电阻增大。这样惠斯通电桥失去 平衡，其输出与所加电流/成正比。它的输出电压为
Γ 7/ Vcc · GMR% (1Vout -^-―----I
nejf V\ rI )其中Γι 磁敏传感器与集成导线之间的距离(um)r2 输入集成导线与输出集成导线间的距离(um)I 流过集成导线的电流(mA)Heff 自由层中的有效各向异性能等效磁场(Oe)Vcc:电源电压(mV)Vout 电桥输出电压(mV)如图4、5、6所示，GMR磁敏电阻单元是由GMR自旋阀材料刻蚀成的蛇形电阻组成。 GMR自旋阀材料是多层膜结构，包括自上而下依次排列的钉扎层1、被钉扎层2、非磁透明层3和自由铁磁层4。自由铁磁层材料可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或两种合金组合的复 合层。非磁透明层是Cu金属层。被钉扎层可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或排列次序为 CoFe合金层/Ru金属层/CoFe合金层的复合层。钉扎层可为IrMn合金层、NiMn合金层、 PtMn合金层或CrPtMn合金层。被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层的交换耦合固定 在纵向(y方向)。而自由层的磁化方向没被固定，可随信号磁场的变化而转动。GMR磁敏 电阻单元的电阻变化量AR随自由层磁化方向而改变，并且正比于自由层磁化方向与χ轴 夹角的正弦值。由能量平衡关系可以推出，Δ R也因此正比于其感应的磁场强度。如图7所示，给出的是由图3简化提取出的惠斯通电桥电路。如图8所示，软磁屏蔽层5集成在GMR电桥和电流导线的正上方，可采用NiFe合 金层。它不仅可屏蔽外来磁场对GMR惠斯通电桥的干扰还可通过它的磁聚集效应加大集成 电流导线中的电流产生的作用在GMR磁敏电阻单元上的磁场。从原理上讲，增强的磁场最 多可接近无屏蔽层时电流所产生磁场的两倍。这样，GMR惠斯通电桥对电流的灵敏度会大 大提高，从而使输出进一步增强。实际制造时，现在基底上沉积GMR多层膜，依次为自由铁磁层4、非磁透明层3、被 钉扎层2、钉扎层1，然后刻蚀形成GMR磁敏电阻单元，沉积绝缘层，再刻蚀绝缘层形成接触 孔，沉积连接金属，将金属层刻蚀形成GMR磁敏电阻单元之间的连线，使四个GMR磁敏电阻 单元构成惠斯通电桥，然后第二次沉积绝缘层7，使惠斯通电桥与集成电流导线彻底隔离， 还可根据产品生产标准选择性电镀软磁屏蔽层5、沉积钝化层并刻蚀钝化层以形成连接焊 盘的通孔，在完成元器件制作工艺后就可以进行期间的切割和封装，从而制成GMR集成电 流传感器。根据应用的不同，封装可采用多用形式。本实用新型的制造需要利用为精细加工技术，元器件制造工艺简单，通过在原始 基底上经过沉积、刻蚀、电镀、钝化等一系列微精细加工工艺后即可制作完成。以上附图所示的新型巨磁阻集成电流传感器是本实用新型的具体实施例，已经体 现出本实用新型实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，对GMR磁敏电阻单元及惠斯 通电桥的电路、规格、材质以及排列方式等方面进行修改，在此不多赘述。
权利要求新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于包括位于基底上的4个GMR磁敏电阻单元及其电连接所构成的GMR惠斯通电桥、位于GMR惠斯通电桥上方的集成电流导线，所述的集成导线和GMR惠斯通电桥之间由一层绝缘层隔离。
2.根据权利要求1所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的GMR磁敏电 阻单元是由GMR自旋阀材料刻蚀成的蛇形电阻组成。
3.根据权利要求2所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的GMR自旋 阀材料是多层膜结构，包括自上而下依次排列的钉扎层、被钉扎层、非磁透明层和自由铁磁 层。
4.根据权利要求3所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的自由铁磁层 材料可为NiFeCo合金层、CoFe合金层或两种合金组合的复合层。
5.根据权利要求3所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的非磁透明层 是Cu金属层。
6.根据权利要求3所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的被钉扎层可 为NiFeCo合金层、CoFe合金层或排列次序为CoFe合金层/Ru金属层/CoFe合金层的复合层。
7.根据权利要求3所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所述的钉扎层可为 IrMn合金层、NiMn合金层、PtMn合金层或CrPtMn合金层。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所 述的4个GMR磁敏电阻单元和集成电流导线上方设置有由高磁导率的软磁材料Ni、Fe、NiFe 合金、NiFeB合金的一种或多种组成的软磁屏蔽层。
9.根据权利要求1-7任一权利要求所述的新型巨磁阻集成电流传感器，其特征在于所 述的4个GMR磁敏电阻单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述的第一电 阻和第三电阻位于集成电流导线的输入段，所述的第二电阻和第四电阻位于集成电流导线 的输出段，所述的4个GMR磁敏电阻单元与集成电流导线的相对位置形成输出“推_拉结 构，，。
专利摘要新型巨磁阻集成电流传感器，属于电流测量装置技术领域。现有技术为电流互感器、霍尔电流传感器，测试频率范围窄，体积大，能耗较高，温度特性较差。本实用新型其特征在于包括位于基底上的4个GMR磁敏电阻单元及其电连接所构成的GMR惠斯通电桥、位于GMR惠斯通电桥上方的集成电流导线，所述的集成导线和GMR惠斯通电桥之间由一层绝缘层隔离，其优点在于利用GMR惠斯通电桥检测集成电流导线中流过的电流，将电流产生的磁信号转换为电信号输出，响应速度快、测试频率范围广、稳定性好，可通过为精细加工工艺制造层状结构，工艺简单，便于制造，体积小、成本低。
文档编号G01R19/00GK201622299SQ200920153359
公开日2010年11月3日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者钱正洪 申请人:钱正洪