閉環電流檢測模塊中Z軸TMR傳感器的研制

郭 彥,龐振江,王于波,郭海平,王 崢,王海寶

(1.北京智芯微電子科技有限公司,國家電網公司重點實驗室電力芯片設計分析實驗室,北京 100192;2.北京智芯微電子科技有限公司,北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心,北京 100192;3.江蘇多維科技有限公司,江蘇 張家港 215634)

固態磁敏元件正越來越多地應用于電流傳感器中,其中又以霍爾元件的應用最為廣泛。閉環霍爾電流傳感器具有制造簡單、可靠性高、精度高、動態特性好的優點[1-2]。但是隨著測量環境的日益復雜,電能測量設備要求更高的精度及工作溫度范圍,此時若仍然使用霍爾器件,則需要復雜的電路補償[3],在某些場合下,甚至會失效。除了霍爾器件以外,固態磁敏元件還包括:各向異性磁電阻(AMR)器件,巨磁電阻(GMR)器件,和隧道磁電阻(TMR)器件[4]。由于GMR器件的應用較早,科技人員已經開始了利用GMR器件構建電流傳感器的研究[5],其中Fei xie等利用GMR傳感器,將閉環傳感器的電流精度做到了0.6%[6]。而TMR效應雖然早在1975年就已經得到證實,但近年來才得到廣泛關注。表1是各種磁敏元件的對比[7-8],從表中可看出,TMR效應的傳感器在靈敏度和工作溫度范圍方面,具有較大的優勢,若用TMR傳感器作為電流傳感器模塊中的磁敏元件,必將提高電流傳感器模塊的性能。

表1 磁敏元件性能對比

John S等[9]通過實驗,證實了用TMR作為電流傳感器模塊中的磁敏元件,得到的輸出信號比Hall元件大一個數量級。2013年,上海工程技術大學的李東昇等展開了相關研究,提出了TMR元件對大電流測量的可行性[10]。

目前還沒有TMR器件在閉環電流傳感器中應用的報道,其原因為:根據Julliere模型[11],TMR效應的有效方向是TMR器件的表面方向,即TMR傳感器只能檢測平行于其表面的磁場。在閉環電流傳感器模塊中,磁敏元件位于鐵芯的氣隙中,而氣隙越大,電流傳感器性能越差。因此磁敏傳感器應盡量薄,且靈敏方向應垂直于磁敏元件的表面,這樣才能減小氣隙的長度。因此限制了TMR器件在閉環電流傳感器中的應用。

為了將TMR傳感器的靈敏方向改變至垂直芯片表面方向,有兩種方法:第一,使TMR薄膜具有垂直各向異性,美國專利US8773821B2提出了使用具有垂直各項異性的Co/Pd作為釘扎層,使TMR的靈敏方形垂直與芯片表面[12]。在2017年,Nakano T等人[13]利用該原理,制備了該薄膜結構,當磁場為6 kGs時,電阻變化為30%,若作為傳感器,其靈敏度為0.2 mV/V/Oe,低于霍爾元件。另一種方法是改變磁路結構,文獻[14]闡述了利用聚磁結構,可以改變磁場方向的,進而改變傳感器的靈敏方向。江蘇多維科技有限公司的James Deak也提出了一種聚磁結構,可以改變外磁場方向,使磁場方向扭轉至TMR傳感器的靈敏方向,并申請了發明專利[15]。

1 Z軸TMR傳感器原理

本文詳細描述了靈敏方向垂直于芯片表面的TMR傳感器(Z軸TMR傳感器)的設計方法,其中的參數主要包括:聚磁結構的厚度、寬度、間距、與磁敏單元的相對位置。

通過在MTJ(磁隧道結,TMR傳感器的最小單元)上方沉積一層高磁導率的聚磁結構,可以扭轉外加磁場的方向,其立體結構如圖1所示。

圖1 聚磁結構立體示意圖

圖2是聚磁結構和MTJ的仿真側視圖,圖2中的曲線是磁場流線,代表磁場的方向。聚磁結構位于MTJ的上方,為了方便描述,引入了兩個磁隧道結MTJ1和MTJ2。當有垂直方向的外場時(如圖2中的“外加磁場”),由于聚磁結構的存在,在聚磁結構的邊緣,磁場方向會發生改變。若將MTJ放置在聚磁結構下方的邊緣附近,則在MTJ表面,會存在平行于MTJ表面方向的磁場分量。

圖2 聚磁結構改變磁場方向

圖3 推挽全橋電路

圖2中,由于MTJ1和MTJ2分別位于聚磁結構的兩側。在這兩個磁隧道結位置處,磁場分量大小相等,方向相反。

若將兩個MTJ1和兩個MTJ2構成如圖3所示的橋式電路,則會構成推挽全橋結構。根據TMR原理,自由層磁矩與被釘扎層磁矩夾角為0度時,MTJ電阻最小;自由層磁矩與被釘扎層磁矩夾角為180°時,MTJ電阻最大;且隨著夾角的變化,電阻呈單調變化。對于圖3中MTJ1,由于磁場方向反平行于其靈敏方向,因此,當磁場增加時,在MTJ自身偏置作用下,其自由層和釘扎層越趨近于反平行,電阻值越大。反之,MTJ2的電阻隨著外場的增加而減小。

通過測量全橋電路的差分輸出電壓,即可計算出磁場分量的值。由于磁場分量與外加磁場具有一一對應的關系。那么,通過推挽橋式電路,即可計算出外加磁場的值。

2 聚磁結構設計

為了提高Z軸傳感器的靈敏度,一方面,需要提高MTJ本身的磁場響應;另一方面,需要對聚磁結構進行優化設計,在外加磁場(Z軸磁場)一定的情況下,盡可能提高水平方向的磁場分量(平行于MTJ表面方向的磁場分量)。本節從這兩個方面,詳細敘述Z軸傳感器的仿真、設計過程。

2.1 MTJ的磁場響應

對于MTJ來說,其靈敏度反映的是自由層內的磁矩被外加磁場改變的難易程度,而自由層內磁矩的方向對應的是自由層的最小能量方向。自由層內的能量主要包括:退磁場能、外場能、磁晶各向異性能。一旦薄膜工藝確定,外場能和磁晶各向異性能在固定方向的大小即得以確定,而退磁場能得取決于MTJ的長寬比,即形狀各向異性。對于CoFeB/MgO/CoFeB/NiFe隧道結,不同長寬比對應的TMR傳感器的靈敏度如圖4所示。

圖4 TMR傳感器靈敏度隨長寬比的變化

從圖4可以看出,當長寬比較小時,其靈敏度可以得到15 mV/V/Oe以上。但是此時磁滯較大,對有磁滯的應用來說,需要評估磁滯的影響。由于理論分析MTJ非常困難,在實際研制時,會采用不同的長寬比,進行篩選,最終確定長寬比。

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在磁電阻器件的MEMS工藝中,線寬小于1 μm時,精度較差;而為了減小器件體積、降低成本、降低功耗,應盡量減小線寬。根據目前的工藝水平,我們將線寬設計為2 μm,即MTJ的寬度方向尺寸為2 μm。通過改變MTJ的長度方向尺寸,來改變MTJ的長寬比,調節MTJ自身的靈敏度。

2.2 MTJ離聚磁結構的垂直距離

首先要考察MTJ到聚磁結構的垂直距離,聚磁結構和MTJ位置關系如圖5所示,其中G為所述的垂直距離。二維有限元仿真如圖6所示,其中的顏色越深,表示水平方向的磁場越強。從圖6可以看出,垂直距離G越近,MTJ位置處的水平磁場分量越大。因此,為了提高磁場強度,垂直距離G應越小越好。

圖5 聚磁結構和MTJ之間距離示意圖

圖6 NiFe聚磁效果的二維有限元仿真

NiFe通常厚度較大,工藝上多采用電鍍的方法構建,方法是在MTJ薄膜的上表面增加絕緣層,然后再電鍍NiFe。為了保證電氣絕緣和工藝可控性,通常垂直距離最小為1 μm。本設計中,設置垂直距離為1 μm,以在保證工藝的前提下,盡可能大地提高靈敏度。

2.3 聚磁結構間距、厚度和寬度

對于聚磁結構來說,聚磁能力表征的是將垂直磁場轉變為水平磁場的效果,是最為關鍵的指標。在仿真時,在垂直方向施加100 Gs的磁場,觀察在聚磁結構下方邊緣的水平磁場分量,來考察不同結構的聚磁結構的性能。不同的幾何尺寸,會有不同的等效磁導率,繼而具備不同的聚磁能力。而在本設計中,主要考察厚度和寬度這兩個維度對聚磁能力的影響。鑒于MTJ的寬度為2 μm,且在相鄰兩個聚磁結構之間,至少應放置兩個MTJ,并留有絕緣距離,因此設置相鄰兩個聚磁結構間距為15 μm。

圖7是聚磁陣列的三維仿真模型,其中棕色為聚磁結構,由于在TMR傳感器中,MTJ有很多個,就需要多個聚磁結構并聯,再將多個MTJ放置于兩個聚磁結構之間。因此,需要設計聚磁陣列。X和Z方向分別為聚磁結構的厚度和寬度方向,外加磁場方向為Z軸方向。為了方便比較,在后處理時,選圖7中的計算平面內Y=0的一段直線,來比較不同的厚度和寬度時,在該直線上的X方向水平磁場分布。圖8～圖10是沿著聚磁結構的寬度方向,即圖7中的X方向,不同寬度和厚度的聚磁結構產生的水平磁場分量分布,其中外加磁場強度100 Gs,原點是圖7中的坐標(0,0,0)。

圖10 聚磁結構寬度20 μm時,水平磁場分布

圖7 聚磁陣列與仿真平面位置關系

圖8 聚磁結構寬度5 μm時,水平磁場分布

圖9 聚磁結構寬度10 μm時,水平磁場分布

從圖8～圖10可見,隨著厚度的增加,聚磁效果也隨著增強。但是當厚度超過10 μm時,厚度的聚磁增強效果很微弱;而聚磁層越厚,對電鍍的工藝要求越高,聚磁層的寬度精度越差,因此本設計中聚磁層厚度設計為10 μm。

當聚磁層厚度確定后,需要設計聚磁層寬度。圖11是聚磁層厚度為10 μm時,不同寬度聚磁層對應的水平磁場分布。從圖11可以看出,隨著寬度的增加,聚磁的效果略有減小,但是幾乎可以忽略。而在工藝上,聚磁層寬度應不小于聚磁層厚度;但是寬度越大,器件的尺寸越大,會增加成本和傳感器的探測精度。因此寬度設計成10 μm比較合適。

圖11 聚磁層厚度10μm,不同聚磁層寬度對應的水平磁場

2.4 MTJ中心到聚磁層邊緣距離

由前文確定的聚磁結構最佳物理尺寸為:間距為15 μm,厚度10 μm,寬度10 μm。下面基于該尺寸,進行MTJ中心到聚磁層邊緣距離的設計。圖12顯示了圖7中聚磁結構下方,直線Y=0位置處的水平磁場分布,灰色框表示聚磁結構的位置。從圖12可見,水平磁場最大的位置位于聚磁結構的外側,距離聚磁結構邊緣0.5 μm左右。

圖12 聚磁結構和磁場分布的空間位置關系

3 TMR傳感器試制和靈敏度測試

圖13是按照本文的設計方法實際得到的傳感器特性曲線。從圖13可以看出,在低場下,靈敏度大致為10 mV/Oe,而霍爾器件的靈敏度小于1 mV/Oe,且在100 Gs以內,傳感器具有良好的線性度。

圖13 Z軸TMR傳感器傳輸特性曲線

圖14列出了本實驗中不同MTJ長度和MTJ中心到聚磁結構邊緣距離D的組合下,得到的傳感器靈敏度。從圖14可見,當MTJ中心到聚磁結構邊緣距離為0.5 μm時,傳感器的靈敏度最高,符合仿真結果。

圖14 不同MTJ長度和間距D時,傳感器的靈敏度

圖15是制得的TMR傳感器實物圖,采用了小體積的SSIP封裝,尺寸為2.9 mm×2.9 mm×0.9 mm。

圖15 制得的TMR傳感器

4 閉環電流檢測模塊試制和測試

利用制得的TMR傳感器,搭建的閉環電流檢測模塊如圖16所示,其中鐵芯內徑15 mm,外徑23 mm,次級線圈2 000匝,被測導線穿過鐵芯內孔(圖16中未畫出),TMR傳感器位于鐵芯的氣隙中,反饋電路為次級線圈提供反饋電流。被測導線、次級線圈、TMR傳感器和反饋電路構成閉環系統。

圖16 TMR閉環電流檢測模塊實物圖

表2是上圖電流檢測模塊的實際測試數據,模塊的測量范圍為0～100 A,從表中可見,在整個測量范圍內,測量誤差小于0.3%,且當被測電流大于1 A時,測量誤差小于0.1%。

表2 TMR閉環電流檢測模塊性能

5 結論

本文闡述了該聚磁結構的詳細設計方法,根據方法制備出的傳感器靈敏度達到10 mV/Oe,遠大于霍爾器件的靈敏度,驗證了設計方法的正確性,預示著利用聚磁結構,可以使TMR技術應用到電流傳感器模塊中。利用該結構設計的TMR元件構成的閉環電流傳感器,測量誤差小于0.3%的。然而,若要在電流測量領域內,發揮TMR傳感器在靈敏度和溫度特性方面的優勢,還需要進行大量的實驗驗證工作。

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