一种检测弱电流的半导体磁阻式电流传感器

【摘要】最新设计了一款专门用来信号治理电路的InSb-In共晶体磁阻元件（MR）组合而成的半导体薄膜磁阻型电流传感器（MRCS），设计这样的电流传感器就是用来测验微弱电流的。这种电流传感器就是将两个InSb-In磁阻元件阻值一起更变，就是通过这样的方法来达到这一个目的的，这样的一个方式不仅消除了超大容量的耦合电容。而且还可以缩减体积容量和提高频率特性的特质。通过精准的计算然后抉择一个指定的参数，来让电流发出信号同使得磁阻更变的微弱电流产生出的磁场成正比特性的关系，以此达到了测验微弱电流的目的。经过试验分析研讨了这种电流传感器的做工特效，它的通频带是7-1800Hz，微弱电流经过测验结果低到10mA，而且非常有效的压制了温漂，再之后从理论的角度对这样的试验进行了研讨解析。

【关键词】磁阻效应；电流传感器；工作特性

中图分类号：O47文献标识码： A

一、前言

电流传感器（MRCS）是通过采取锑化铟一铟（InSb-In）磁阻元件（MR）组合而制成的，这种电流传感器不仅仅保持了霍尔电流传感器的良好特性，而且还还有许多其他的优良特点，体积较小、价格廉惠、结构简单并且可以大量生产。设建电流传感器就是为了测验微弱点流，这个电流传感器是经过一起讲两个InSb―In磁阻元件阻值同时更变的方法来达到这个目的的，这个电流传感器消除了大容量的耦合电容，而且还可以缩减提及容量和提高改善频率特质。

二、InSb-In磁阻薄膜的特质

所谓的磁阻效应就是说材质电阻是受外界增加的磁场的大小的变化而变化的，然而半导体磁敏材质则是因电流方向相垂直方向的磁场对它产生作用而会受到影响，具体的内容就是因为洛伦兹力的作用，然而载流子移动的方向有了变化，随后使得电流行径变长了，因而导致电阻数值变大了，磁阻效应分为两种，一个就是物理磁阻效应，另一个就是几何磁阻效应。首先来探讨下物理磁场效应，对于物理磁场效应来说，两种载流子 （电子和空穴）的移速率相比而言相差非常大的半导体材质，他们之中移速率相对而言大一点的是一种载流子导致电阻受到变化。除此之外，几何磁阻效应就是，对于主要材质确定的半导体磁敏电阻，它们的几何形状会牵扯到磁阻效应，也就是说，会对磁阻效应产生相当大的影响。还有一些就是长与宽的比例不相同或者几何形状不太相同的磁敏电阻，它们的磁阻效应也会不相同，因此为了加强几何磁阻的效应强度，我们会想方设法来达到这一目的，可以使得长与宽的比例变得愈来愈小，就是有关宽度方向的长度相对于长度方向的长度是它的若干倍数，也就是长度与宽度的比例值比1小。

三、InSb-In薄膜制作工法

制作InSb―In磁阻元件有很多种方法，最为传统的方法就是将块状形态的单晶切成厚厚的薄片，然后再通过加工粗略地打磨再度缩小薄片的薄度,再之后就是进行精工打磨让它变得光滑抛光，使之成为厚度是30-60微米的薄薄的条片，还要做的就是做好短路的电极，做这个短路电极就是为了要缩减长度和宽度的比例值。做这样的元件是要有精细的技巧，利用的是真空镀膜的技巧，需要掌控材质的化学计量比例与掌控结晶程序，然后才使得薄薄的膜片中的In发出时形成了针状体态，然而还有一个就是铟针所起到的作用就是短路的电极，它的主要的工法流程步骤是，基片抛光，真空蒸镀，热处理，光刻，初测分选，焊引线最后就是测量分类。它的组成元件是是导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永磁体、五个引脚等等。

四、InSb-In磁阻型电流传感器的构造

InSb-In磁阻型电流传感器主要是由导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永磁体和五个引脚组合而成的。这种电流传感器的MRCS的结构有图展示，图1所示。InSb-In磁阻型电流传感器的金属外壳有着屏蔽和保护传感器的作用。MR1和MR2是相对称搁置的一组磁阻元件，它们的电阻数值基本上是相等的，并且永磁体元件始终会给它们产生偏放磁场B，等到检测电流通过的导线位于MR1和MR2的对称轴的地方。电路图如图2所示，其中MR1和MR2都是通过恒流源所提供电流的，并且电流是I0.在待检测交变电流通过4、5处的时候，在线路的四周围会产生空间磁场。在此空间磁场一个一个流穿MR1和MR2的时候，有那么一瞬间它们的方向是相反的，因此这样的磁场在同MRCS里面永磁体的偏放磁场B相互叠重在一起的时候会让MR1和MR2受到影响，其中一个的电阻数值会因此而变大，而另外一个电阻数值会因此而变小。这样的两种磁阻元件的电阻数值的变化会影响图中的Ua、Ub电位的变化，将Ua、Ub两端的信号不在同一时刻通过电压跟随导线进入差动比例运放电路实行变大，这样子就可以得到输出信号U0.

图示1，MRCS结构示意图

图示2信号处理电路图

五、实验结论和分析

让等到检测信号的频率处于50Hz不波动，等待检测电流i从10mA加大到100mA，此时我们可以看出来输出电压从50mV连续加大到350mV，实验结果如图3所示。

图示3输出电压和等待检测电流的关系

然而让等到检测的信号处在60mA上不波动，频率就会从1Hz加大到20000Hz，在我们监察到频率在70-500Hz的时候，此时的输出的电压就是最大的，是208mV；然而频率在1-70Hz的时候，输出电压慢慢加大；频率是500-15000Hz的时候，输出电压慢慢的下降下来；在大于15000Hz的时候，输出电压的变化频率就比较小了，基本上处于平缓的状态，那么我们就可以得到结果如图4所示，它的通频带是7-1800Hz，在这样的频率范围之内，输出特质才可以达到十几测验的目标。

依照直线通过交变电流的时候他的四周围空间磁场和电流的关系，通过计算可以知道，U0是跟随者i的变大而连续线性变大的，所以就可以出现图3所示的结果。

在维持电路处于静态工作的时候，使得外面的温度从―25摄氏度慢慢上到到55摄氏度，由此我们可以了解到试样品A、试样品B、试样品C和试样品D的输出电压的变化范围都不是很大，其中四条曲线都基本上呈现的是上升趋势。就如图4所示。

图4输出电压和温度关系

因为这个温度的改变，使得两个InSb的磁阻都会有一定的变化量，经过式子可以明确地推导出U0=0.

经过实验测试可以明显地显示出这样的设计在理论的基础上可以很有效地一直温漂。我们可以从图示5中看出，四条曲线都分别是通过四个同样的电路制造样品A、B、C、D而测试得到的结论。它们的静态的工作点是不一样的，这和一样的参数元件之间有着事实上的差距是有关的。温度从―25摄氏度升温直到55摄氏度的时候，输出电压的变化幅度是0.14-1.21V，变化速率的范围是每摄氏度0.0294%-0.0491%。这个就和电路中元件的组成和跟随温度的变化的性能是有关系的。

六、小结

利用InSb-In共晶型薄膜磁阻元件，然后还有偏磁体系和放在中轴线的线路组成磁阻型电流传感器，而且还建设了一种能让输出信号能有比较大幅度的信号处理电路。经过这个测试我们可以知道各种元件之间的变化在他们之间或多或少都会是有一定的联系的。如果使得等待检测信号的电流强度或者是频率发生变化的话，那么InSb磁阻所在的磁场就会相应的发生改变。因而就会使得磁阻阻值发生改变，进而再会引起输入信号Ua、Ub的变化。

我们可以把输入信号来实行差模治理，然后再通过计算进而抉择出最为适宜的电路参数，除去了偏放的直线电流电平，最后我们可以得到和等待检测微弱电流信号形成正比例的放大倍数的信号。

这个电流传感器的通频带是7-1800Hz，并且可以测验到的微弱电流的信号最低可以达到10mA，而且得常有效的对于温漂有着强大的抑制作用。

【参考文献】

[1]翟学明. 输电线路绝缘子泄漏电流高精度检测与数据压缩技术的研究[D].华北电力大学,2012.

[2]邢佳. 基于系统比例测量的非接触式微弱电流检测系统及其应用[D].天津大学,2010.

[3]程志奇. “磁传感器及其应用技术”讲座 第四讲 磁敏电阻传感器(一)[J]. 自动化仪表,1988,08:39-44+32.

[4]周冬跃,黄钊洪. 可用于低转速测量的锑化铟齿轮转速传感器设计[J]. 计算机测量与控制,2004,09:898-900.

[5]黄得星. 敏感技术物理及应用专题系列(IV) 磁敏传感器及其应用[J]. 物理,1990,07:409-413+399.