隧道磁阻电流传感器的设计研究

张蓬鹤，李求洋，张卫欣，刘崇伟

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384)

0 引言

电流传感器主要包括电流互感器、罗氏线圈、霍尔传感器等，这些传感器存在明显的局限性。电流互感器只能测试交流电流，磁芯存在饱和风险[1]；罗氏线圈不能测直流电流，线圈制作繁琐[2]；霍尔器件温度特性较差[3-4]。隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)传感器具有灵敏度高、温度漂移小、线性误差小、动态范围宽的优良特性，适合应用于电流测量领域。文献[5-6]阐述了TMR效应的有效测量方向是TMR器件的表面方向，即TMR传感器只能检测平行于其表面的磁场。然而，载流导线布置于TMR传感器的正上方，会造成载流导线与TMR传感器之间的距离难以控制且不易于集成化[7]。

本文设计了一种新型Z轴TMR电流传感器，其灵敏方向垂直于芯片表面，通过PCB布线控制载流导线与TMR传感器的距离，实现与TMR传感器在同一平面上的电流测量。Z轴TMR电流传感器将TMR元件放置为梯度结构，通过在磁隧道结上方沉积一层高磁导率的聚磁结构扭转外加磁场方向，实现灵敏方向垂直于芯片表面的设计目标。对测量数据进行温度补偿和线性补偿后，测试结果表明TMR电流传感器在0.1～60 A测量范围内，测量精度达到1%。

1 TMR元件设计

TMR元件的最小结构单元是磁隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)，基本结构如图1所示。其基本结构是3层膜结构，分别为隧道层、自由层、被钉扎层。被钉扎层的磁矩方向固定，隧道层是可被隧穿的Å级厚度的镁或铝氧化物，自由层是高磁导率的铁磁材料，其磁化方向受外界磁场的调制[8]。自由层的磁矩和被钉扎层的磁矩之间的夹角，决定了磁隧道结的磁电阻R。

图1 磁隧道结基本结构

自由层的磁化方向取决于系统的最小能量，系统能量包括：被测磁场提供的能量、偏置磁场提供的能量、退磁场能以及各向异性能。如图2所示，当有被测磁场Ha时，自由层的磁矩M稳定在某一角度θ，那么自由层和被钉扎层磁矩夹角为90°-θ，此时磁电阻R满足式 (1)：

(1)

式中：C1和C2为与TMR薄膜有关的常数。

图2 磁矩方向

通过测量磁电阻R的值，即可计算出外界磁场和被测电流的大小。

将4个灵敏方向不同的磁电阻连接成全桥结构，如图3所示，图中箭头代表各磁电阻的灵敏方向。R1和R4的灵敏方向一致，反向平行于R2和R3灵敏度。当有适当的外加磁场时，全桥结构的输出电压与外界磁场成线性关系[9]。

图3 全桥结构及其输出曲线

2 TMR传感器原理及设计

2.1 Z轴TMR传感器原理

为使被测磁场方向改变至TMR传感器的灵敏方向，本文应用聚磁结构的设计方法，在MTJ上方沉积一层聚磁结构扭转外加磁场的方向。其结构侧视图及磁场扭转方向示意如图4所示。图中2个磁隧道结MTJ1和MTJ2对称放置于聚磁结构的下方两侧，磁场流线代表磁场的方向。当有垂直方向的外加磁场时，在聚磁结构的边缘，磁场方向会发生改变，在MTJ位置存在平行于MTJ表面方向的磁场分量。2个磁隧道结由于相对聚磁结构位置对称，其表面水平磁场分量大小相等、方向相反。

图4 聚磁结构改变磁场方向

为了提高Z轴传感器的灵敏度，一方面需要提高MTJ自身的磁场响应，另一方面需要对聚磁结构进行优化设计，使得在一定的外加磁场下，提高平行于MTJ表面方向的磁场分量。

2.2 MTJ的磁场响应

图5 MTJ灵敏度随长宽比的变化

由图5可以看出，MTJ的长宽比值越小，灵敏度越高。为了减小器件体积、降低成本、降低功耗，应尽量减小线宽。根据目前的磁电阻器件MEMS工艺水平，本文将线宽设计为2 μm，即MTJ的宽度尺寸为2 μm。MTJ长宽比过小会引起较大磁滞，且理论分析MTJ磁滞影响非常困难，本文采用长宽比为4进行试制，采用试验验证的方式确定长宽比是否合适。

3 TMR电流传感器设计

3.1 MTJ与聚磁结构的垂直距离

聚磁结构位于MTJ的上方，二维有限元仿真得到的水平磁场结果如图6所示。可以看出距离聚磁结构的垂直距离越近，水平磁场分量越大。因此，为了提高磁场强度，垂直距离应越小越好。

图6 NiFe聚磁效果的二维有限元仿真

NiFe层通常厚度较大，工艺上多采用电镀的方法构建，即在MTJ薄膜的上表面增加绝缘层后再电镀NiFe。为了保证电气绝缘和工艺可控性，本文设置MTJ与聚磁结构的垂直距离为1 μm，尽可能大地提高MTJ灵敏度。

3.2 聚磁结构间距、厚度和宽度

对于聚磁结构来说，聚磁能力最主要的指标是将垂直磁场转变为水平磁场的效果，聚磁结构的几何尺寸不同直接影响聚磁能力的大小。由于TMR传感器由众多个MTJ构成，因此聚磁结构采用并联形式，形成聚磁阵列。图7为聚磁阵列的三维仿真模型，X和Z方向分别为聚磁结构的厚度和宽度方向，外加磁场方向为Z轴方向。

图7 聚磁阵列的仿真模型

在Z轴方向施加100 Gs的磁场，仿真比较不同结构尺寸下的聚磁结构性能。选择图7中Y=0，Z=0这一条直线，比较不同聚磁结构厚度和宽度时，垂直磁场在该直线上的水平磁场分布。对于不同宽度下的聚磁结构，厚度对聚磁结构产生的水平磁场分量影响如图8所示，图8中1 Gs=10-4T。

(a)聚磁结构宽度为5 μm

(b)聚磁结构宽度为10 μm

(c)聚磁结构宽度为20 μm图8 聚磁结构厚度对水平磁场强度的影响

从图8可见，聚磁效果随着厚度的增加而逐步增强，当厚度超过10 μm时，聚磁效果随着厚度的增加反而减弱。此外，聚磁层厚度越大，对电镀工艺的要求越高。因此本文将聚磁层的厚度设计为10 μm。由图8可知，随着聚磁结构宽度的增加，聚磁的效果略有减小，但是几乎可以忽略。而在工艺上，聚磁层的宽度应不小于聚磁层厚度；但宽度越大，器件的尺寸越大，器件成本增加，因此本文将聚磁结构的宽度同样设计为10 μm。

在相邻2个聚磁结构之间，至少放置2个MTJ用于磁场强度测量。MTJ的宽度为2 μm，聚磁结构的宽度为10 μm，且需留有至少1 μm的绝缘距离，因此相邻2个聚磁结构的间距为设置为15 μm。

3.3 MTJ中心到聚磁结构边缘距离

基于以上聚磁结构和MTJ尺寸，进行MTJ中心到聚磁结构边缘距离的设计。图9显示了图7中聚磁结构下方直线Y=0，Z=0位置处的水平磁场分布，灰色框表示聚磁结构的位置。从图9可知，水平磁场最大的位置位于聚磁结构的外侧，距离聚磁结构边缘大约0.5 μm位置。

图9 聚磁结构和磁场分布的空间位置关系

4 TMR电流传感器的制备和测试

4.1 TMR元件的制备

TMR元件的试制采用TMR溅射镀膜工艺平台，经过基片清洗、镀膜、高温退火、刻蚀、电镀NiFe等工序，制备出了Z轴TMR元件样品。TMR元件的制备过程如下：利用溅射镀膜工艺，在硅基板上依次沉积电极层、种子层、人工反铁磁层、MgO隧道层、自由层和上电极层；利用刻蚀的方法，制作出磁隧道结；在上电极层构建电气互连结构，实现隧道结的互连；将裸晶圆放置在引线框上，对位安装、打线、注塑、脱模，最终形成TMR元件。

图10是研制得到的TMR元件随外加磁场的输出响应曲线，其输入电压为5 V。可以计算得到该TMR元件的灵敏度为4.4 mV·V-1·Oe-1，在±15 Gs磁场强度范围内，传感器线性程度很高。

图10 TMR元件输出响应曲线

由于电流与磁场强度是线性关系，且2个相对聚磁结构对称位置的传感元件a和b，传感得到的磁场方向相反。因此，传感器a和b位置处的磁场满足如下表达式：

Ha=0.2I+Hd
Hb=-0.2I+Hd

(2)

式中：Ha,Hb分别为传感元件a和b位置处的磁场；I为被测导线中的电流；Hd为外部干扰磁场。

由于2个传感元件位置较近，地球磁场或者外部干扰磁场在2个传感元件位置处产生的分量可以认为是相同的。则输入电压为1 V时，传感元件a和b的输出电压(单位： mV)表达式为：

Va=4.4×(0.2I+Hd)
Vb=4.4×(-0.2I+Hd)

(3)

传感器输出电压为

V0=Va-Vb=8.8×0.2×I

(4)

由式 (4)可见，通过将2个传感元件构成梯度的方式，可以免除外界干扰磁场的影响。

4.2 应用电路设计与测试

利用TMR元件构成的电流传感器模块如图11所示，电流导线分布于PCB的正面和背面，TMR元件位于PCB正面，其灵敏部位与待测电流导线的距离设定为固定值5 mm。由于TMR元件输出信号较小，应用高精度仪表运算放大器将传感信号放大。

图11 电路实物照片

表1为本文设计的TMR电流传感器模块实际测试结果。电流传感芯片在进行温度补偿和非线性补偿校正后读取的数据比校正前的数据精度有了明显的提高。在校正之后，电流测量误差在1%以内。电流传感器对小电流的测量误差稍大，原因是由于此时元件的噪声信号、放大电路的噪声和非线性相比测试信号不可忽略，引起测量误差。

5 结束语

本文设计了一种具有聚磁结构的Z轴TMR元件，并使用该TMR元件实现了一种电流测量方法，证实了TMR元件用于电流传感的可行性。在对测量数据进行温度补偿和线性补偿后，TMR电流传感器在目标测量范围内达到了1%的测量精度。测试结果验证了TMR电流传感器在电流测量领域内具有较好的应用前景。

表1 TMR电流传感器测试数据