高精度开式电流传感器与差分平面霍尔电阻传感器
摘 要：本文提出了一种高精度的平面霍尔电阻式开式电流传感器。传统的带有磁性传感器的开式电流传感器通常容易受到外部磁场的干扰。为了减少非预期磁场的影响，本设计采用了带有PHR的差分结构。差动结构提供了强大的性能，以不必要的磁通量和提高磁灵敏度。此外，采用一种新型的高灵敏度PHR传感器代替传统的霍尔磁集中器传感器来检测水平磁场。PHR传感器和读出集成电路(IC)通过后互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成，采用多芯片封装。电流传感器是用来测量电流电平的。设计了电流传感器的测量性能有一个16赫兹的带宽和电流非线性在plusmn;0.5%。
关键词：电流传感器;精度高;磁传感器;平面霍尔电阻率(PHR);post-CMOS过程;读出集成电路(ROIC)
1. 介绍
近年来，汽车工业和智能电网应用对高精度电流传感器的需求不断增加[1]。在汽车工业中，传统的以发动机为基础的汽车和电动汽车都需要精确的电流传感器来控制各种电机，如电机、电动转向电机和制动电机。此外，智能电网行业需要各种高精度的电流传感器来测量工厂设备的电能消耗的质量和数量。许多物联网设备正在加速智能小功率计量的必要性。电流可以通过使用高精度并联电阻测量电压降来获得。然而，适用的电压范围是有限的，电压降随着电流的增加而迅速增加。作为一种非接触式电流传感器，许多传统的电流传感器都是利用含铁磁性材料的电流传感器，将载流导体包裹起来，留下一个较小的气隙(通常为2 - 5mm)[3]。由于铁磁材料的特性，该结构具有较强的磁增益和对串扰的鲁棒性。但是，测量电流的大小和重量必须根据测量电流的大小来增加，这使得安装和维护通常传感器安装位置有限的计量系统变得困难。使用光信号的电流互感器的另一种解决方案是利用光信号对磁力的变化[13]。虽然光电流传感方法具有良好的可靠性和灵敏度，但由于温度的变化，光纤中的双折射也会发生变化。另一方面，基于磁性传感器的开式电流传感器直接利用电流导体产生的磁场，如图1a所示。开式电流传感器具有体积小、成本低、形状系数小、可根据与电流导体的距离配置传感电流电平等优点。然而，磁传感器的有限灵敏度可能会降低电流传感器的精度。虽然使用铁磁材料增加集成磁集中器(IMC)可以提高传感器的灵敏度，但是增加一层磁集中器的缺点是增加了整体成本。此外，IMC对温度变化非常敏感。open-type结构的另一个挑战是传感器的open-type结构容易受到外部磁场的影响，感应磁场受相邻导线的磁干扰影响较大[16]。最近，Allego在商业产品[[18]]中演示了一个2.5 a电流传感器，该传感器采用了带有两个霍尔传感器的差分结构。然而，考虑到磁场的分布，差分结构并没有利用最佳的传感位置，因为通常情况下，磁场的最大点并不是导体线的下一个点，而是导体的中心。此外，当需要测量的电流电平较低时，例如a1a电平，电流传感器的高精度规范就变得很高，很难实现[19]。
本文提出了一种基于平面霍尔电阻(PHR)传感器的高精度1a电平开式电流传感器。PHR的来源是晶格原子磁矩引起的电子携带电流的各向异性散射。另一方面，普通霍尔效应是由在磁场中运动的带电粒子之间的洛伦兹力相互作用引起的，如图1b[23]所示。在不使用IMC层的情况下，我们利用两个高灵敏度的PHR传感器来提高灵敏度，形成一个差分磁传感器。PHR传感器具有较高的灵敏度和稳定的温度特性。此外，我们还为PHR传感器开发了一种新的读出集成电路(ROIC)。差分传感器和ROIC通过互补后金属氧化物半导体(CMOS)工艺连接在一起。在封装的ROIC底部的印刷电路板上，有一个1 a级电流的专用电流路径。在下面的章节中，我们将描述所提出的电流传感器的结构、设计和性能。
2 电流传感器的设计与结构
2.1 微分结构
图2显示了所提出的差分传感器结构。将两个相邻的PHR传感器以相反的电流方向放置在相应的导体上，如图2a所示。因此，当电流开始流经导线时，每个PHR传感器接收到的磁通量方向相反，如图2b所示。
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