TMR单芯片微弱电流传感器的研制*

王峥，郭海平，庞振江，徐绥召，王海宝

(1. 北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室，北京 100192； 2. 北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192； 3.江苏多维科技有限公司，江苏 张家港 215634)

0 引 言

随着人们生活水平的提高，电力、电子设备的使用也越来越广泛。为了保证设备的正常运行，需要对其工作状态进行监控，其中漏电流是需要进行监控的重要参数，这就需要开发出相应的弱电流传感器或者弱电流检测系统。

目前，霍尔元件已经被大量地应用于电流检测领域，其特点是结构简单，响应速度快，且能够检测直流的电流[1]。但由于霍尔元件灵敏度较低，无法检测微弱电流产生的微小磁场，因此不适合应用于微弱电流检测[2]。目前常见的微弱电流传感器是基于磁通门技术的元件，内部的软磁铁芯处于饱和与非饱和的交替状态，通过计算感应线圈中的谐波信号，来提取磁场的信息，进而计算出被测电流的大小[3]，磁通门计的最小测量电流为50 mA左右[4]，按照2%精度计算，其分辨率为1 mA左右。与磁通门计类似，巨磁阻抗(GMI)磁传感器也可以检测微弱电流[5]，但是近些年并未有大的突破。除此之外，光纤电流传感器也得到了较多的研究，其最小分辨率可达测量范围的0.1%，但是整个系统较为复杂，难以大批量地使用[6]。

近些年来，磁电阻器件的发展极其迅速，各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件已经成功地商业化，文献[7]报道了利用AMR传感器，可以使电流测量的分辨率达到100 μA。文献[8]则通过将电流导线和GMR传感器进行集成化，成功研制出了一体式的微电流传感器，测量分辨率也为100 μA。在所有的磁电阻器件中，TMR元件的灵敏度可达几十mV/V/Gs，可以提高电流测量的分辨率；其次，其磁电阻变化率可达200%，有助于提高电流检测的范围[9-10]；此外，TMR器件是由隧道结构成[11]，其最小结构单元只有几个微米，极易进行小型化。文章阐述了一种基于TMR元件的微电流传感器，将电流检测分辨率提高了一个数量级。

1 TMR微电流检测原理

磁传感器通过检测电流产生的磁场，输出相应的电压信号，而电流产生的磁场可按照式(1)来计算。论文工作的目的是检测几十微安电流，芯片级的导线间的磁场耦合较弱，认为式(1)中N为1，将电流I设为10 μA。由于采用了MEMS工艺，传感器位置的磁路积分长度L可以做到微米，从而使传感器位置处的磁场H达到Oe的量级。而Oe量级的磁场，TMR元件是可以分辨的。

N×I=H×L

(1)

设计思路是:先制作TMR元件，再在TMR元件上方沉积金导线，尽量减小TMR元件和金导线的间距，以减小导线和TMR元件的间距。TMR元件和导线的纵切面如图1所示。图中的二氧化硅用于电气隔离，金作为电流导体，TMR元件位于电流导体正下方。

图1 TMR元件和导体的纵切面

2 TMR单芯片微弱电流传感器设计

2.1 整体结构设计

对于一片晶圆来说，TMR元件的灵敏方向是一致的，而电流导体产生的磁场垂直于其电流方向，因此需要直的电流导体，而不能采用圆形的电流导体。对于硅基片上集成的线圈，一般有蜿蜒式和螺旋式，在螺旋式线圈中，内圈的导体长度较小，而TMR元件位于导体正上方或者正下方，直接导致TMR元件排布数量的减少。因此，选择蜿蜒式的导体较合适。

文中导体排布方式如图2所示，当电流从一个端口流入时，导体中的电流方向如图中粗箭头所示，TMR元件R1，R2，R3，R4位于导体正下方(为了方便说明，图中TMR元件绘制于导体的上方)，每一个TMR元件由4个隧道结(MTJ)串联构成。根据安培定律可知，图中的TMR元件R1和R2位置的磁场方向相同，且反平行于TMR元件R3和R4位置的磁场方向。

图2 电流导体排布和TMR元件位置

将四个灵敏方向相同的TMR元件电气连接成图3的全桥结构，即可实现差分输出，输出电压是端口Vo1和Vo2之差，图中箭头表示磁场方向。

图3 四个TMR元件构成的差分输出电路

2.2 TMR元件设计

文中所涉及的TMR元件，从本质上来说属于线性传感器的范畴，因此设计方法与线性TMR传感器类似。但文中着重研究高分辨率的电流检测，主要关注TMR元件的动态范围和灵敏度。

对于磁隧道结(MTJ)来说，其磁电阻(MR)的变化范围，即MR值决定了动态范围和灵敏度的乘积。为了达到较大的动态范围和较高的灵敏度，应尽量采用大MR值的MTJ薄膜体系。所以文中采用某公司的CoFeB/MgO/CoFeB/NiFe薄膜体系，MR值大于200%。

为了提高磁场的测量分辨率，应使MTJ的灵敏度越高越好。一旦薄膜体系确定，只需要改变MTJ的宽度和长度，即可设计出不同灵敏度的TMR元件。在设计时，考虑到减小磁滞，会将MTJ设计成椭圆形，灵敏方向是其短轴方向，即难磁化轴方向[12]，因而设计了如下不同尺寸的MTJ：长轴8 μm、15 μm，短轴1 μm、1.5 μm、2 μm，共六种组合。

2.3 电流导体设计

由图1可知，在电流导体和MTJ之间，具有绝缘层，起到电气隔离的作用。MTJ薄膜高度大致为0.2 μm～0.3 μm，而在MTJ的边缘处，存在锐利的拐角，为了使上方的导体在拐角处较平滑，绝缘层的厚度取2～3倍MTJ厚度较合适，因此设绝缘层厚度为0.7 μm。

对于一个电流导体，其周围磁场遵循毕奥-萨伐尔定律，其横截面尺寸越小，周围磁场越集中，越有利于提高电流检测分辨率。但是，同样由于上述锐利拐角的原因，电流导体的厚度不能太小，所以设置电流导体厚度1 μm。

下面进行导体宽度和间距的设计。由于采取了蜿蜒式导体，相邻两个导体的电流方向是相反的，如图4所示。MTJ如图中黑色长条所示，其位于被测导体正下方，假设被测导体电流流向纸外，与其相邻的导体被称为回流导体，其电流向纸里，电流产生的磁场的积分环路分别为图中的实线椭圆和虚线椭圆。

图4 相邻导线电流和磁场方向

为了尽量减小回流导体的磁场削弱作用，应使图中的“中心距”越大越好，但是太大会增加器件的面积，不利于器件小型化。为此，进行了二维电磁仿真，在回流导体上施加10 μA的电流，计算其周围的磁场，计算结果如如图5所示。其中距离为0代表位于回流导体正下方的位置，从图5中可见，当距离为20 μm时，回流导体的磁场减弱到1%左右。因此，在设计时，中心距取为20 μm。

图5 不同“中心距”时，回流导体的磁场削弱作用

导体的另一个重要参数是被测导体的宽度，图6是四种不同宽度导体的仿真结果，被测导体施加电流10 μA，横坐标为0的点代表导体正下方的位置。由于MTJ不是一个点，而是具有一定的宽度，考虑到上文的MTJ宽度设计为2 μm，在仿真计算时取计算范围为2 μm。一般TMR元件的本底噪声在微伏级别，灵敏度在几mV/V/Gs，换算后可知，TMR元件能探测到的磁场为mGs的级别。

图6 不同宽度的被测导体产生的磁场

从图6可见宽度20 μm的导体，在10 μA电流的激励下，产生的磁场可以达到3 mGs，处于可探测范围。但是宽度越小，磁场越大，其产生的磁场越容易被TMR元件探测到，因此，应使宽度越小越好。然而，当宽度只有2 μm时，磁场表现出较强的不均匀性，会导致MTJ自由层磁化不均匀，引起测量误差。因此，设计了三种导体宽度：10 μm、7 μm和4 μm。

3 单芯片微弱电流传感器制作

文中采用某公司的TMR工艺平台，进行单芯片微弱电流传感器的制作，工艺流程如图7所示。

图7 单芯片微电流传感器工艺流程

图8是文中所研制的传感器版图，其中Coil(+)和Coil(-)外接到需要测量的电流通路上，Vbias和GND分别为TMR元件的供电和地，V+和V-为TMR元件的差分输出端。

图8 单芯片微弱电流传感器版图

4 单芯片微弱电流传感器测试及分析

传感器的测试方法如下：Agilent33250A作为电流源，提供可编程的被测电流；吉时利2410产生恒定电压，用于给传感器供电；利用数字万用表Agilent3458A采集传感器的输出电压。测试得到的曲线如图9所示，横坐标是被测电流大小，纵坐标是TMR元件的输出电压，其中供电电压为1 V。从图中可以看出，传感器的输出电压与被测电流基本上是线性关系，电流分辨能力为20 μA ～30 μA。

图9 传感器输出电压随被测电流的变化

不同尺寸的MTJ灵敏度及不同导体宽度对应的电流分辨率如表1所示。从表中可见，导体宽度是决定分辨率的主要因素，导体越窄，磁场强度越强，TMR元件的输出信号越大。另一方面，TMR元件灵敏度的提高也有助于电流分辨率的提高。

表1 不同设计的TMR灵敏度和电流分辨率

5 结束语

利用MEMS工艺，将TMR薄膜刻蚀成磁敏元件，再在其上方电镀电流导体，构成了高分辨率的单芯片微弱电流传感器。影响分辨率的因素主要有：TMR元件的灵敏度和电流导体的尺寸。文中通过优化设计，研制出了电流分辨能力达到20 μA的微弱电流传感器，测试结果验证了TMR元件在微弱电流测量领域内具有较好的应用前景。