TMR單芯片微弱電流傳感器的研制*

王崢，郭海平，龐振江，徐綏召，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)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，電力、電子設備的使用也越來越廣泛。為了保證設備的正常運行，需要對其工作狀態進行監控，其中漏電流是需要進行監控的重要參數，這就需要開發出相應的弱電流傳感器或者弱電流檢測系統。

目前，霍爾元件已經被大量地應用于電流檢測領域，其特點是結構簡單，響應速度快，且能夠檢測直流的電流[1]。但由于霍爾元件靈敏度較低，無法檢測微弱電流產生的微小磁場，因此不適合應用于微弱電流檢測[2]。目前常見的微弱電流傳感器是基于磁通門技術的元件，內部的軟磁鐵芯處于飽和與非飽和的交替狀態，通過計算感應線圈中的諧波信號，來提取磁場的信息，進而計算出被測電流的大小[3]，磁通門計的最小測量電流為50 mA左右[4]，按照2%精度計算，其分辨率為1 mA左右。與磁通門計類似，巨磁阻抗(GMI)磁傳感器也可以檢測微弱電流[5]，但是近些年并未有大的突破。除此之外，光纖電流傳感器也得到了較多的研究，其最小分辨率可達測量范圍的0.1%，但是整個系統較為復雜，難以大批量地使用[6]。

近些年來，磁電阻器件的發展極其迅速，各向異性磁電阻(AMR)元件或巨磁電阻(GMR)元件已經成功地商業化，文獻[7]報道了利用AMR傳感器，可以使電流測量的分辨率達到100 μA。文獻[8]則通過將電流導線和GMR傳感器進行集成化，成功研制出了一體式的微電流傳感器，測量分辨率也為100 μA。在所有的磁電阻器件中，TMR元件的靈敏度可達幾十mV/V/Gs，可以提高電流測量的分辨率；其次，其磁電阻變化率可達200%，有助于提高電流檢測的范圍[9-10]；此外，TMR器件是由隧道結構成[11]，其最小結構單元只有幾個微米，極易進行小型化。文章闡述了一種基于TMR元件的微電流傳感器，將電流檢測分辨率提高了一個數量級。

1 TMR微電流檢測原理

磁傳感器通過檢測電流產生的磁場，輸出相應的電壓信號，而電流產生的磁場可按照式(1)來計算。論文工作的目的是檢測幾十微安電流，芯片級的導線間的磁場耦合較弱，認為式(1)中N為1，將電流I設為10 μA。由于采用了MEMS工藝，傳感器位置的磁路積分長度L可以做到微米，從而使傳感器位置處的磁場H達到Oe的量級。而Oe量級的磁場，TMR元件是可以分辨的。

N×I=H×L

(1)

設計思路是:先制作TMR元件，再在TMR元件上方沉積金導線，盡量減小TMR元件和金導線的間距，以減小導線和TMR元件的間距。TMR元件和導線的縱切面如圖1所示。圖中的二氧化硅用于電氣隔離，金作為電流導體，TMR元件位于電流導體正下方。

圖1 TMR元件和導體的縱切面

2 TMR單芯片微弱電流傳感器設計

2.1 整體結構設計

對于一片晶圓來說，TMR元件的靈敏方向是一致的，而電流導體產生的磁場垂直于其電流方向，因此需要直的電流導體，而不能采用圓形的電流導體。對于硅基片上集成的線圈，一般有蜿蜒式和螺旋式，在螺旋式線圈中，內圈的導體長度較小，而TMR元件位于導體正上方或者正下方，直接導致TMR元件排布數量的減少。因此，選擇蜿蜒式的導體較合適。

文中導體排布方式如圖2所示，當電流從一個端口流入時，導體中的電流方向如圖中粗箭頭所示，TMR元件R1，R2，R3，R4位于導體正下方(為了方便說明，圖中TMR元件繪制于導體的上方)，每一個TMR元件由4個隧道結(MTJ)串聯構成。根據安培定律可知，圖中的TMR元件R1和R2位置的磁場方向相同，且反平行于TMR元件R3和R4位置的磁場方向。

圖2 電流導體排布和TMR元件位置

將四個靈敏方向相同的TMR元件電氣連接成圖3的全橋結構，即可實現差分輸出，輸出電壓是端口Vo1和Vo2之差，圖中箭頭表示磁場方向。

圖3 四個TMR元件構成的差分輸出電路

2.2 TMR元件設計

文中所涉及的TMR元件，從本質上來說屬于線性傳感器的范疇，因此設計方法與線性TMR傳感器類似。但文中著重研究高分辨率的電流檢測，主要關注TMR元件的動態范圍和靈敏度。

對于磁隧道結(MTJ)來說，其磁電阻(MR)的變化范圍，即MR值決定了動態范圍和靈敏度的乘積。為了達到較大的動態范圍和較高的靈敏度，應盡量采用大MR值的MTJ薄膜體系。所以文中采用某公司的CoFeB/MgO/CoFeB/NiFe薄膜體系，MR值大于200%。

為了提高磁場的測量分辨率，應使MTJ的靈敏度越高越好。一旦薄膜體系確定，只需要改變MTJ的寬度和長度，即可設計出不同靈敏度的TMR元件。在設計時，考慮到減小磁滯，會將MTJ設計成橢圓形，靈敏方向是其短軸方向，即難磁化軸方向[12]，因而設計了如下不同尺寸的MTJ：長軸8 μm、15 μm，短軸1 μm、1.5 μm、2 μm，共六種組合。

2.3 電流導體設計

由圖1可知，在電流導體和MTJ之間，具有絕緣層，起到電氣隔離的作用。MTJ薄膜高度大致為0.2 μm～0.3 μm，而在MTJ的邊緣處，存在銳利的拐角，為了使上方的導體在拐角處較平滑，絕緣層的厚度取2～3倍MTJ厚度較合適，因此設絕緣層厚度為0.7 μm。

對于一個電流導體，其周圍磁場遵循畢奧-薩伐爾定律，其橫截面尺寸越小，周圍磁場越集中，越有利于提高電流檢測分辨率。但是，同樣由于上述銳利拐角的原因，電流導體的厚度不能太小，所以設置電流導體厚度1 μm。

下面進行導體寬度和間距的設計。由于采取了蜿蜒式導體，相鄰兩個導體的電流方向是相反的，如圖4所示。MTJ如圖中黑色長條所示，其位于被測導體正下方，假設被測導體電流流向紙外，與其相鄰的導體被稱為回流導體，其電流向紙里，電流產生的磁場的積分環路分別為圖中的實線橢圓和虛線橢圓。

圖4 相鄰導線電流和磁場方向

為了盡量減小回流導體的磁場削弱作用，應使圖中的“中心距”越大越好，但是太大會增加器件的面積，不利于器件小型化。為此，進行了二維電磁仿真，在回流導體上施加10 μA的電流，計算其周圍的磁場，計算結果如如圖5所示。其中距離為0代表位于回流導體正下方的位置，從圖5中可見，當距離為20 μm時，回流導體的磁場減弱到1%左右。因此，在設計時，中心距取為20 μm。

圖5 不同“中心距”時，回流導體的磁場削弱作用

導體的另一個重要參數是被測導體的寬度，圖6是四種不同寬度導體的仿真結果，被測導體施加電流10 μA，橫坐標為0的點代表導體正下方的位置。由于MTJ不是一個點，而是具有一定的寬度，考慮到上文的MTJ寬度設計為2 μm，在仿真計算時取計算范圍為2 μm。一般TMR元件的本底噪聲在微伏級別，靈敏度在幾mV/V/Gs，換算后可知，TMR元件能探測到的磁場為mGs的級別。

圖6 不同寬度的被測導體產生的磁場

從圖6可見寬度20 μm的導體，在10 μA電流的激勵下，產生的磁場可以達到3 mGs，處于可探測范圍。但是寬度越小，磁場越大，其產生的磁場越容易被TMR元件探測到，因此，應使寬度越小越好。然而，當寬度只有2 μm時，磁場表現出較強的不均勻性，會導致MTJ自由層磁化不均勻，引起測量誤差。因此，設計了三種導體寬度：10 μm、7 μm和4 μm。

3 單芯片微弱電流傳感器制作

文中采用某公司的TMR工藝平臺，進行單芯片微弱電流傳感器的制作，工藝流程如圖7所示。

圖7 單芯片微電流傳感器工藝流程

圖8是文中所研制的傳感器版圖，其中Coil(+)和Coil(-)外接到需要測量的電流通路上，Vbias和GND分別為TMR元件的供電和地，V+和V-為TMR元件的差分輸出端。

圖8 單芯片微弱電流傳感器版圖

4 單芯片微弱電流傳感器測試及分析

傳感器的測試方法如下：Agilent33250A作為電流源，提供可編程的被測電流；吉時利2410產生恒定電壓，用于給傳感器供電；利用數字萬用表Agilent3458A采集傳感器的輸出電壓。測試得到的曲線如圖9所示，橫坐標是被測電流大小，縱坐標是TMR元件的輸出電壓，其中供電電壓為1 V。從圖中可以看出，傳感器的輸出電壓與被測電流基本上是線性關系，電流分辨能力為20 μA ～30 μA。

圖9 傳感器輸出電壓隨被測電流的變化

不同尺寸的MTJ靈敏度及不同導體寬度對應的電流分辨率如表1所示。從表中可見，導體寬度是決定分辨率的主要因素，導體越窄，磁場強度越強，TMR元件的輸出信號越大。另一方面，TMR元件靈敏度的提高也有助于電流分辨率的提高。

表1 不同設計的TMR靈敏度和電流分辨率

5 結束語

利用MEMS工藝，將TMR薄膜刻蝕成磁敏元件，再在其上方電鍍電流導體，構成了高分辨率的單芯片微弱電流傳感器。影響分辨率的因素主要有：TMR元件的靈敏度和電流導體的尺寸。文中通過優化設計，研制出了電流分辨能力達到20 μA的微弱電流傳感器，測試結果驗證了TMR元件在微弱電流測量領域內具有較好的應用前景。