TMR单芯片微弱电流传感器技术应用研制

　　下面文章针对微弱电流的检测，提出了一种单芯片微弱电流传感器，其原理是:利用隧道磁电阻(TMR)元件作为磁场敏感元件，并将电流导体和TMR元件进行集成，以减小电流导体与磁场敏感元件的间距，提高电流测量的分辨率。并且结合MEMS工艺，通过优化设计TMR元件结构和电流导体结构，研制出了电流分辨率达到20μA的微弱电流传感器，为微弱电流检测提供了一种有效、廉价的解决方案。

　　关键词:TMR元件,高分辨率,微弱电流检测,MEMS

　　随着人们生活水平的提高，电力、电子设备的使用也越来越广泛。为了保证设备的正常运行，需要对其工作状态进行监控，其中漏电流是需要进行监控的重要参数，这就需要开发出相应的弱电流传感器或者弱电流检测系统。目前，霍尔元件已经被大量地应用于电流检测领域，其特点是结构简单，响应速度快，且能够检测直流的电流[1]。

　　但由于霍尔元件灵敏度较低，无法检测微弱电流产生的微小磁场，因此不适合应用于微弱电流检测[2]。目前常见的微弱电流传感器是基于磁通门技术的元件，内部的软磁铁芯处于饱和与非饱和的交替状态，通过计算感应线圈中的谐波信号，来提取磁场的信息，进而计算出被测电流的大小[3]，磁通门计的最小测量电流为50mA左右[4]，按照2%精度计算，其分辨率为1mA左右。与磁通门计类似，巨磁阻抗(GMI)磁传感器也可以检测微弱电流[5]，但是近些年并未有大的突破。

　　除此之外，光纤电流传感器也得到了较多的研究，其最小分辨率可达测量范围的0.1%，但是整个系统较为复杂，难以大批量地使用[6]。近些年来，磁电阻器件的发展极其迅速，各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件已经成功地商业化，文献[7]报道了利用AMR传感器，可以使电流测量的分辨率达到100μA。

　　文献[8]则通过将电流导线和GMR传感器进行集成化，成功研制出了一体式的微电流传感器，测量分辨率也为100μA。在所有的磁电阻器件中，TMR元件的灵敏度可达几十mV/V/Gs，可以提高电流测量的分辨率;其次，其磁电阻变化率可达200%，有助于提高电流检测的范围[9-10];此外，TMR器件是由隧道结构成[11]，其最小结构单元只有几个微米，极易进行小型化。

　　文章阐述了一种基于TMR元件的微电流传感器，将电流检测分辨率提高了一个数量级。

　　1TMR微电流检测原理

　　磁传感器通过检测电流产生的磁场，输出相应的电压信号，而电流产生的磁场可按照式(1)来计算。论文工作的目的是检测几十微安电流，芯片级的导线间的磁场耦合较弱，认为式(1)中N为1，将电流I设为10μA。由于采用了MEMS工艺，传感器位置的磁路积分长度L可以做到微米，从而使传感器位置处的磁场H达到Oe的量级。而Oe量级的磁场，TMR元件是可以分辨的。N×I=H×L(1)设计思路是:先制作TMR元件，再在TMR元件上方沉积金导线，尽量减小TMR元件和金导线的间距，以减小导线和TMR元件的间距。图中的二氧化硅用于电气隔离，金作为电流导体，TMR元件位于电流导体正下方。

　　2TMR单芯片微弱电流传感器设计

　　2.1整体结构设计

　　对于一片晶圆来说，TMR元件的灵敏方向是一致的，而电流导体产生的磁场垂直于其电流方向，因此需要直的电流导体，而不能采用圆形的电流导体。对于硅基片上集成的线圈，一般有蜿蜒式和螺旋式，在螺旋式线圈中，内圈的导体长度较小，而TMR元件位于导体正上方或者正下方，直接导致TMR元件排布数量的减少。

　　因此，选择蜿蜒式的导体较合适。当电流从一个端口流入时，导体中的电流方向如粗箭头所示，TMR元件R1，R2，R3，R4位于导体正下方(为了方便说明，TMR元件绘制于导体的上方)，每一个TMR元件由4个隧道结(MTJ)串联构成。根据安培定律可知，TMR元件R1和R2位置的磁场方向相同，且反平行于TMR元件R3和R4位置的磁场方向。即可实现差分输出，输出电压是端口Vo1和Vo2之差，图中箭头表示磁场方向。

　　2.2TMR元件设计

　　文中所涉及的TMR元件，从本质上来说属于线性传感器的范畴，因此设计方法与线性TMR传感器类似。但文中着重研究高分辨率的电流检测，主要关注TMR元件的动态范围和灵敏度。对于磁隧道结(MTJ)来说，其磁电阻(MR)的变化范围，即MR值决定了动态范围和灵敏度的乘积。为了达到较大的动态范围和较高的灵敏度，应尽量采用大MR值的MTJ薄膜体系。所以文中采用某公司的CoFeB/MgO/CoFeB/NiFe薄膜体系，MR值大于200%。

　　为了提高磁场的测量分辨率，应使MTJ的灵敏度越高越好。一旦薄膜体系确定，只需要改变MTJ的宽度和长度，即可设计出不同灵敏度的TMR元件。在设计时，考虑到减小磁滞，会将MTJ设计成椭圆形，灵敏方向是其短轴方向，即难磁化轴方向[12]，因而设计了如下不同尺寸的MTJ:长轴8μm、15μm，短轴1μm、1.5μm、2μm，共六种组合。

　　2.3电流导体设计

　　在电流导体和MTJ之间，具有绝缘层，起到电气隔离的作用。MTJ薄膜高度大致为0.2μm～0.3μm，而在MTJ的边缘处，存在锐利的拐角，为了使上方的导体在拐角处较平滑，绝缘层的厚度取2～3倍MTJ厚度较合适，因此设绝缘层厚度为0.7μm。

　　对于一个电流导体，其周围磁场遵循毕奥-萨伐尔定律，其横截面尺寸越小，周围磁场越集中，越有利于提高电流检测分辨率。但是，同样由于上述锐利拐角的原因，电流导体的厚度不能太小，所以设置电流导体厚度1μm。下面进行导体宽度和间距的设计。由于采取了蜿蜒式导体，相邻两个导体的电流方向是相反的。

　　MTJ如图中黑色长条所示，其位于被测导体正下方，假设被测导体电流流向纸外，与其相邻的导体被称为回流导体，其电流向纸里，电流产生的磁场的积分环路分别为图中的实线椭圆和虚线椭圆。为了尽量减小回流导体的磁场削弱作用，应使图中的“中心距”越大越好，但是太大会增加器件的面积，不利于器件小型化。为此，进行了二维电磁仿真，在回流导体上施加10μA的电流，计算其周围的磁场。

　　其中距离为0代表位于回流导体正下方的位置，当距离为20μm时，回流导体的磁场减弱到1%左右。因此，在设计时，中心距取为20μm。导体的另一个重要参数是被测导体的宽度，被测导体施加电流10μA，横坐标为0的点代表导体正下方的位置。由于MTJ不是一个点，而是具有一定的宽度，考虑到上文的MTJ宽度设计为2μm，在仿真计算时取计算范围为2μm。

　　一般TMR元件的本底噪声在微伏级别，灵敏度在几mV/V/Gs，换算后可知，TMR元件能探测到的磁场为mGs的级别。在10μA电流的激励下，产生的磁场可以达到3mGs，处于可探测范围。但是宽度越小，磁场越大，其产生的磁场越容易被TMR元件探测到，因此，应使宽度越小越好。然而，当宽度只有2μm时，磁场表现出较强的不均匀性，会导致MTJ自由层磁化不均匀，引起测量误差。因此，设计了三种导体宽度:10μm、7μm和4μm。

　　3单芯片微弱电流传感器制作

　　文中采用某公司的TMR工艺平台，进行单芯片微弱电流传感器的制作。

　　4单芯片微弱电流传感器测试及分析

　　传感器的测试方法如下:Agilent33250A作为电流源，提供可编程的被测电流;吉时利2410产生恒定电压，用于给传感器供电;利用数字万用表Agilent3458A采集传感器的输出电压。传感器的输出电压与被测电流基本上是线性关系，电流分辨能力为20μA～30μA。

　　5结束语

　　利用MEMS工艺，将TMR薄膜刻蚀成磁敏元件，再在其上方电镀电流导体，构成了高分辨率的单芯片微弱电流传感器。影响分辨率的因素主要有:TMR元件的灵敏度和电流导体的尺寸。文中通过优化设计，研制出了电流分辨能力达到20μA的微弱电流传感器，测试结果验证了TMR元件在微弱电流测量领域内具有较好的应用前景。

　　参考文献

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　　[2]王进，阳桂蓉.直测式5V供电霍尔电流传感器设计[J].仪表技术，2016，(12):42-45.WangJin，YangGuirong.DesignoftheDirectSensingTypeHallCurrentSensorswith5VPower[J].Instrumentationtechnology，2016，(12):42-45.

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　　[9]PPFreitas，RFerreira，SCardoso.SpintronicSensors[J].ProceedingsoftheIEEE，2016，104(10):1894-1918.

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