磁場電流傳感器、傳感器系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 實施例一般涉及電流傳感器，并且更特別地涉及用于經(jīng)由相關磁場感測導體中的 電流流動的無芯磁場傳感器、系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 當前傳感器用在多種多樣的應用和工業(yè)中。傳感器可以包括用來檢測與在導體中 流動的電流相關的磁場并基于場測量推斷電流的磁場傳感器。磁場傳感器可以包括霍爾效 應傳感器或磁阻（MR)傳感器，所述霍爾效應傳感器包括普通霍爾平板或垂直霍爾傳感器， 所述磁阻（MR)傳感尤其諸如是巨磁阻器（GMR)、隧穿磁阻器（TMR)、各向異性磁阻器（AMR) 和超巨磁阻器（CMR)。一般說來，MR是其中電阻響應于所施加的磁場而改變的器件。
[0003] 許多常規(guī)磁場電流傳感器包括其中電流由可滲透的磁部分引導的磁芯。最接近 芯布置的磁場傳感器元件可以通過感測由此感應的磁場來檢測電流。這些傳感器的缺點 包括由于在芯中的磁損耗而導致的熱生成、增加的制造成本、大的大小、增加的重量和低性 能。附加地，在常規(guī)電流傳感器中，導體通常由非導電涂層加上可以用作接地屏蔽的導線來 覆蓋。這些涂層(例如軟彈性體）具有拙劣限定的幾何形狀，其可能導致在電流測量中的誤 差。這些傳感器的其他缺點包括對背景干擾的受限的抑制，其也可能導致在測量的電流的 準確度中的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 實施例涉及用來經(jīng)由相關的磁場感測在導體中的電流流動的無芯磁場電流傳感 器、系統(tǒng)和方法，諸如磁阻傳感器、系統(tǒng)和方法。在實施例中，用于從由導體中的電流感應的 磁場感測導體中的電流的電流傳感器系統(tǒng)，包括：多個（N個)磁阻(MR)傳感器，在與導體的 中心同中心的圓上布置且與彼此分隔開360度/N，其中每一個MR傳感器具有敏感性平面 且響應于磁場在敏感性平面中的投影，多個MR傳感器的敏感性平面是平行的，以及其中多 個MR傳感器相對于導體布置，使得磁場具有平行于敏感性平面的非零分量；至少一個磁元 件，被布置為提供在多個MR傳感器上的偏置磁場；以及耦合到多個MR傳感器的電路，用來 通過組合來自多個MR傳感器中的每一個的信號來確定導體中的電流的至少一個參數(shù)。 [0005] 在實施例中，一種方法包括：最接近導體布置傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)包括多個 (N個）磁阻（MR)傳感器，在與導體的中心同中心的圓上布置且與彼此分隔開360度/N;提 供在多個MR傳感器上的偏置磁場；使電流在導體中流動；以及感測由電流感應并作用于多 個MR傳感器中的每一個的磁場；以及通過組合與來自多個MR傳感器中的每一個的磁場相 關的信號來估計導體中的電流的至少一個參數(shù)。
【附圖說明】
[0006] 在考慮以下結(jié)合附圖的本發(fā)明的各種實施例的詳細描述的情況下，本發(fā)明可以被 更完全地理解，在所述附圖中： 圖1是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的透視圖。
[0007] 圖2是圖1的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0008] 圖3是圖1的傳感器系統(tǒng)和導體的側(cè)視圖。
[0009] 圖4是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的透視圖。
[0010] 圖5是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的側(cè)視圖。
[0011] 圖6是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的透視圖。
[0012] 圖7是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的透視圖。
[0013] 圖8是根據(jù)實施例的磁阻器的半橋電路的示意圖。
[0014] 圖9是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的附視圖。
[0015] 圖10A是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0016] 圖10B是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0017] 圖11A是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0018] 圖11B是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0019] 圖12A是根據(jù)實施例的傳感器和導體布置的側(cè)視圖。
[0020] 圖12B是圖12A的布置的俯視圖。
[0021] 圖12C是圖12A的布置的部分的透明俯視圖。
[0022] 圖13是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)和導體的俯視圖。
[0023] 圖14是根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)的俯視圖。
[0024] 圖15是根據(jù)實施例的流程圖。
[0025] 盡管本發(fā)明對于各種修改和替換形式是應服從的，但其細節(jié)已經(jīng)通過示例的方式 在附圖中被示出并將被詳細描述。然而，應當理解的是，本發(fā)明將不將本發(fā)明限制于所描述 的特別的實施例。相反，本發(fā)明將覆蓋落入如由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)的所有修改、等效形式和替換。
【具體實施方式】
[0026] 實施例涉及無芯磁場電流傳感器、傳感器系統(tǒng)和方法，其可以最接近導體布置以 通過由電流流動感應的磁場來確定導體中的電流流動的參數(shù)。在一些實施例中，傳感器可 以是高電流傳感器，能夠感測約1安培（A)到約100kA或更多的范圍內(nèi)的電流。實施例可 以包括磁阻器和磁阻傳感器。
[0027] 在實施例中，傳感器系統(tǒng)包括：包含至少一個小孔的支撐結(jié)構(gòu)，可以穿過小孔布置 導體，以及至少兩個傳感器和相對于導體的位置軸在支撐結(jié)構(gòu)上布置的磁元件。在實施例 中，磁元件(其可以用來抵消同質(zhì)干擾場）被配置為將偏置磁場施加至至少兩個傳感器。在 實施例中，傳感器系統(tǒng)可還包括配置為檢測偏置磁場強度的至少一個場檢測傳感器。在實 施例中，傳感器系統(tǒng)可還包括配置為測量磁元件的溫度的至少溫度傳感器。例如，在一個實 施例中，表示磁場角度的與至少兩個傳感器中的每一個相關的輸出信號可以用來通過計算 所測量的自偏置場的角度偏移的平均來推斷導體中的電流。
[0028] 在實施例中，傳感器可包括霍爾效應傳感器(例如，普通霍爾平板或垂直霍爾效 應傳感器）或者磁阻（MR)傳感器或傳感器元件，諸如磁阻（MR)傳感器，尤其諸如巨磁阻器 (GMR)、隧穿磁阻器（TMR)、超巨磁阻器（CMR)和各向異性磁阻器（AMR)。MR傳感器可以是弱 場MR或強場MR。一般地，所有類型的MR對應于磁場在敏感性平面中的投影，其平行于MR的平面形狀。MR厚度遠小于橫向尺寸，并且因此橫向尺寸限定了敏感性平面，其一般與其上 濺射或以其它方式布置MR的襯底的主表面相同，并且其在本文中將被稱為xy平面。
[0029] 帶有釘扎層的MR(例如，GMR、TMR、CMR)具有小環(huán)路行為和大環(huán)路行為。小環(huán)路用 于較小施加的磁場（即，其中器件被經(jīng)常操作)，而大環(huán)路用于可以表示對MR的過多壓力的 較強場。在小環(huán)路中，MR的參考磁系統(tǒng)（S卩，一個或多個釘扎層)主要保持恒定，而在大環(huán)路 中，磁化可以被顯著地變更（即，意圖的參考方向的驅(qū)逐或者甚至解磁化)。
[0030] 在小環(huán)路中，弱場MR主要響應于在敏感性方向上的磁場分量(例如，Bx，或磁場B 的x方向分量)，但該行為也可通過與敏感方向正交的磁場分量（|By| )的量值來調(diào)制。電 阻的通常依賴關系由以下給出：
其中，f(X)是x的奇函數(shù)(意味著f(x)=_f(-X))并且實數(shù)a和b大于零。
[0031] 換言之： i在敏感性方向上的零磁場%=愚處的電阻是，獨立于By。 ii任意極性的在y方向上的磁場具有與匕的量值的減小的相同的效應。iii如果Bx假設為非常大的正值，則電阻傾向于1?_。然而，在實踐中，場將最終如此 大，使得小環(huán)路不再適用，并且傳感器將進入大環(huán)路，其中MR效應或多或少突然崩塌。 iv如果Bx假設為非常大的負值，則電阻傾向于1?_。傳感器此處再次最終退出小環(huán)路 且進入大環(huán)路區(qū)。 v數(shù)字a描述由于像例如形狀各向異性的效應而導致的用來沿著y方向?qū)实腗R傳 感器的自由層的傾向。項b|By|意味著在y方向上的任何場增加該傾向。
[0032] 在小環(huán)路區(qū)中，強場MR響應于在所施加的平面內(nèi)磁場和也平行于敏感性平面的 參考方向之間的角度W;然而它們不響應于在場量值中的改變。電阻的通常依賴關系由以 下給出：
公式在寬范圍的場量值中（例如，在約10毫特斯拉（mT)和200mT之間）是有效的。
[0033] i對于更強的場，傳感器退出其小環(huán)路且進入大環(huán)路區(qū)。 ii強場MR通常僅具有可以忽略的或等于零的形狀各向異性，這意味著自由層的磁化 沒有用來對準到任何方向的傾向。所以它被拉入所施加的場的方向。 iii對于非常小的所施加的場，所施加的場的強度太弱以致不能將磁化拉在場的方向 上。對此的理由可以是設陷阱捕捉磁化的雜質(zhì)中心。所以如果所施加的場旋轉(zhuǎn)，則磁化最 終落在所施加的場方向后面。然后，上面的等式是不準確的或完全失敗。
[0034] 在包括MR的實施例中，MR可以是強場MR或弱場MR。
[0035] 參考圖1-3,描繪了根據(jù)實施例的傳感器系統(tǒng)100。傳感器系統(tǒng)100包括：支撐結(jié) 構(gòu)110 ;至少兩個傳感器120,布置在支撐結(jié)構(gòu)110的表面上；以及磁元件130,耦合到傳感 器120或最接近傳感器120布置。傳感器系統(tǒng)100可以最接近導體140布置，所述導體140 被配置為攜帶電流，所述電流將通過感測由此感應的磁場來感測。在實施例中，傳感器系統(tǒng) 100與導體140 -起使用或操作，但導體140自身不包括系統(tǒng)100的一部分，除非相對于特 別的實施例另有討論或描述。
[0036] 支撐結(jié)構(gòu)110可包括印刷電路板（PCB)、組件板、襯底、引線框、管芯(例如，如在圖 1的示例中圖示的)、或一些其它合適的結(jié)構(gòu)或器件。例如，支撐結(jié)構(gòu)110的特別的組成和布 置可以針對特定應用要求來進行定制或設計。在實施例中，支撐結(jié)構(gòu)110可以包括至少一 個小孔150,在所述小孔150中或穿過所述小孔150布置導體140。小孔150可以在中心位 于支撐結(jié)構(gòu)110中(諸如圖1-3的通常圓形小孔150)，或小孔150可以偏離中心布置或從支 撐結(jié)構(gòu)110的邊緣在內(nèi)部地延伸（見例如圖4)，或可以具有在其它實施例中的一些其它合 適的布置或配置。在實施例中，小孔150可以是圓形、方形或通常對稱的，或者小孔150可 以包括一些其它形狀，尤其諸如鑰匙孔、卵形或長方形。
[0037] 支撐結(jié)構(gòu)110以及小孔150的大小在實施例中可以變化，諸如針對特別的應用或 一些其他因素可以是容納特別的導體