專利名稱：隔離式電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)器件的隔離式模擬電壓傳感器，特別涉及一種利用磁性隧道結(jié)器件測量連接到測試點之間的分流電阻線圈的電流來測量測試點之間電壓的電壓傳感器。
背景技術(shù)：
電壓測量是工業(yè)、消費電子和醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要組成部分。通常，這些應(yīng)用中存在危險電壓、瞬變信號、共模電壓和振蕩電勢等不穩(wěn)定情況，可能使電子系統(tǒng)受到破壞，嚴重的情況下，可能對與電子設(shè)備接觸的人員造成身體傷害。要克服這些缺點，電子測試、測量和控制系統(tǒng)往往需要與待測網(wǎng)絡(luò)電氣隔離。電氣隔離通常對模擬前端電路和后端的系統(tǒng)采用不同的接地，以消除前端共模輸入信號的偏差對后端系統(tǒng)的影響。此外，前端往往是浮動接地，可以在與后端系統(tǒng)具有電勢差的情況下工作。將共模電壓與電子系統(tǒng)隔離通常采用電感耦合、電容耦合或光學(xué)耦合。變壓器和電容器分別是最常用的電感耦合和電容耦合方法。在不使用編碼技術(shù)的情況下，如對電路輸入側(cè)的電壓-頻率轉(zhuǎn)換，電容器和變壓器技術(shù)僅限于交流信號。變壓器相對來講成本較高，且難以在保持高靈敏度和低頻性能的條件下內(nèi)置于集成電路中。電容很容易集成到集成電路當中，但是，除了高頻信號，它需要一個有源的前端編碼器將信號編碼以傳遞輸出。 此外，有源前端電路也對電壓瞬變敏感，因而與對電壓或電流瞬變敏感的后端系統(tǒng)不兼容。 光隔離器是相對電容隔離更為昂貴的技術(shù)，并僅限于相對低功耗的應(yīng)用。磁模擬信號隔離器件目前應(yīng)用較少，原則上包括一個產(chǎn)生磁場的線圈，和一個檢測該磁場的磁傳感器。由于磁傳感器檢測的是磁場絕對值，而不是磁場的變化速度，因而低頻時的靈敏度不會減小。若采用一個高靈敏度、高分辨力的磁性傳感器，這樣產(chǎn)生磁場的線圈不用繞很多圈，從而可以做得很小。此外，如果磁性傳感器適合使用標準的半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，這樣就非常容易將整個磁隔離設(shè)備集成到小體積、低成本、單片式的半導(dǎo)體芯片中。有多種手段可以用來檢測磁信號，其中有多種磁敏技術(shù)可以集成到半導(dǎo)體芯片當中。這些技術(shù)包括霍爾傳感器和磁電阻傳感器，其中磁電阻器件包括各向異性磁電阻(AMR， Anisotropic Magnetoresistance)禾口巨磁電阻(GMR,Giant Magnetoresistance)。霍爾效應(yīng)器件價格相對較高而分辨率較差。AMR和GMR器件雖然具有相對高的分辨率，但信號幅值較小，因而使得后端電路設(shè)計相對復(fù)雜，這使得整個系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸增加，整體成本增加。MTJ磁性傳感器件通過使用隧道磁電阻(TMR，Tunnel Magnetoresistance)效應(yīng)檢測磁場的大小，具有體積小、分辨率高、信號幅值大的特點。這些特點可以用來簡化后端電子系統(tǒng)的設(shè)計，從而降低系統(tǒng)的整體成本。

發(fā)明內(nèi)容
3
為了克服現(xiàn)有技術(shù)當中的上述缺點，本發(fā)明提供與被測電路電氣隔離，具有數(shù)字化輸出，精度和分辨率更高的隔離式電壓傳感器，即一種采用磁性隧道結(jié)器件的隔離式模擬電壓傳感器。本發(fā)明一方面提供一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器，主要用來測量電路中兩個節(jié)點之間的電勢差，該傳感器包括一串聯(lián)的內(nèi)部電阻與電壓分流線圈，其串聯(lián)在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器，該傳感器與電壓分流線圈緊鄰配置，并與其磁耦合；該磁性傳感器檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應(yīng)該電流輸出一電壓信號，該輸出電壓信號代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差；一對電壓信號進行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊；一對采樣數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理模塊；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊。進一步地，磁性傳感器可以是由MTJ器件組成的。進一步地，磁性傳感器、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接口邏輯模塊與分流電阻線圈和輸入信號電氣和物理隔離。隔離是通過使用的磁耦合和絕緣介電層實現(xiàn)的。進一步地，磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器偏置電壓響應(yīng)特征曲線可以用來控制傳感器的響應(yīng)的幅值。優(yōu)選地，至少有一個磁性傳感器具有一片上電磁鐵，用于改善傳感器的響應(yīng)的線性。本發(fā)明另一方面提供一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器，主要用來隔離模擬輸入信號和模擬輸出信號，該傳感器包括一串聯(lián)的內(nèi)部電阻與電壓分流線圈，串聯(lián)在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器，該傳感器與電壓分流線圈緊鄰配置，并與其磁耦合；該磁性傳感器檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應(yīng)該電流輸出電壓信號，該輸出電壓信號代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差。進一步地，磁性傳感器由MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器與分流電阻線圈的輸入信號電氣和物理隔離。電氣隔離是通過使用的絕緣介電層實現(xiàn)的。進一步地，磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。進一步地，磁性傳感器的偏置電壓響應(yīng)特性曲線，可以用來控制傳感器的響應(yīng)的幅值。進一步地，至少有一個磁性傳感器具有一個片上電磁鐵，用于線性化傳感器的響應(yīng)。按照本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，該傳感器與被測網(wǎng)絡(luò)電氣隔離，通過檢測流過并聯(lián)到測試點之間的分流電阻線圈的電流來測量測試點之間的電壓。利用經(jīng)絕緣電介質(zhì)與分流電阻線圈隔離的磁性傳感器來測量線圈中的電流，則測試點之間的電壓與通過分流電阻線圈的電流成正比。此外，該電壓傳感器通過控制磁性傳感器的偏置電壓以自動調(diào)節(jié)量程， 并能計算如頻率、峰值電壓、方均根(RMS，Root Mean Square)電壓及瞬時電壓等所需的電路參數(shù)。同時電壓傳感器能提供后續(xù)應(yīng)用所需的不同數(shù)據(jù)形式，并具備與后續(xù)的與電源隔離的數(shù)字通信系統(tǒng)就電路參數(shù)通信的能力。這使得電壓傳感器不再需要進行電氣隔離和對離散的模擬信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這進一步簡化了電壓測量系統(tǒng)的整體設(shè)計并使整體成本進一步降低。以上所述的電壓傳感器，采用MTJ器件作為磁性敏感元件，MTJ器件的輸出線性正比于加到MTJ器件上的偏置電壓，該MTJ器件的偏置電壓被用來對傳感器的輸出進行自動縮放調(diào)整。其中，MTJ器件具有一個片上電磁鐵，片上電磁鐵用以線性化MTJ傳感器的響應(yīng)。有益效果本發(fā)明主要通過磁場來測量負載兩端的電壓。由于磁場的測量都是與負載工作的電路相互電氣隔離，因而測量用的集成芯片與待測網(wǎng)絡(luò)之間沒有直接的電氣連接。因此，關(guān)鍵的電子器件與供電導(dǎo)線之間隔離，這極大的增強了測量系統(tǒng)對供電電壓不穩(wěn)定時出現(xiàn)的瞬變的耐受能力，因而工作更加穩(wěn)定可靠。本發(fā)明所述具有數(shù)字輸出的電壓傳感器，具備對如峰值電壓、RMS電壓、直流電壓和頻率等電路參數(shù)進行計算的能力，這些參數(shù)可能在電能計量中使用。電壓傳感器能提供后續(xù)計量應(yīng)用的不同數(shù)據(jù)形式，并具備與后續(xù)的與電源隔離的數(shù)字通信系統(tǒng)就電路參數(shù)通信的能力。這使得后續(xù)系統(tǒng)不再需要進行電氣隔離和對離散的模擬信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這進一步簡化了電壓測量系統(tǒng)的整體設(shè)計，并使整體成本進一步降低。從以上發(fā)明內(nèi)容，結(jié)合磁性隧道結(jié)MTJ本身的特點，可以看出本發(fā)明所提供的電壓傳感器，具有整體成本更低、工作穩(wěn)定性高、測量系統(tǒng)與待測的網(wǎng)絡(luò)電氣隔離的特點。并且，采用MTJ器件后，系統(tǒng)的靈敏度高，分辨率高，前端電路設(shè)計簡單，并可以提供與后端的具體應(yīng)用系統(tǒng)匹配的數(shù)據(jù)形式，便于與后續(xù)電路接口。


圖1是采用MTJ器件和分流電阻線圈來測量電路中A、B兩點之間電勢差、并具有數(shù)字輸出的完全集成式隔離電壓傳感器的示意圖。圖2是用于控制輸出信號幅值的MTJ器件輸出對偏置電壓的響應(yīng)曲線圖。圖3是采用片上電磁鐵控制輸出信號幅值的MTJ裝置的示意圖。圖4是采用MTJ器件和分流電阻線圈來測量電路中A、B兩點之間電勢差并具有模擬輸出的完全集成式隔離電壓傳感器的示意圖。圖5是顯示MTJ器件相對于推挽工作的分流電阻線圈的位置關(guān)系的完全集成式電壓傳感器的透視圖。圖6是單片隔離式電壓傳感器半導(dǎo)體芯片的橫截面圖。圖7是包含有反饋線圈的單片隔離式電壓傳感器芯片的橫截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述獨立封裝、電氣隔離的電壓傳感器如各圖中的標號18所示。如圖1所示，電壓傳感器18的輸入端6和7連接到與電源1、負載2關(guān)聯(lián)的測試點A和B，用以測量 A、B之間的電壓。電壓傳感器18內(nèi)的分流線圈3與電壓傳感器18內(nèi)的一個電阻串聯(lián)。分流線圈3的一端連接到輸入端6，電阻的一端連接到輸入端7。A和B之間的電勢差產(chǎn)生一個電流流過分流線圈3。通過分流線圈3的電流Isc的大小為Isc = (Va-Vb)/Rsc = V/Rsc 方程式 1流過分流線圈3的電流Ise產(chǎn)生一個磁場H.MTJ器件11與分流線圈3磁耦合，MTJ器件11對流過分流線圈3的電流Isc所產(chǎn)生的磁場H敏感。MTJ器件11就是通過檢測電流Ise產(chǎn)生的磁場H來確定待測電路中A、B 兩點之間的壓降A(chǔ)V = (Va-Vb)。方程式 2在電壓測量應(yīng)用中，電壓傳感器18中的電阻Rsc必須遠大于待測電路的等效電阻 RlMd2。在諸如住宅電表計量的應(yīng)用中，負載電阻2 —般小于100 Ω。分流線圈電阻的上限由該傳感器所需的分辨率決定，下限由待測電路2的等效電阻決定。對于實際應(yīng)用，分流線圈電阻&。應(yīng)至少100倍于負載電阻2，在家庭應(yīng)用中，可以將該電阻設(shè)定為> 10kQ。響應(yīng)分流線圈3中的電流，MTJ器件11輸出一個電壓VM ，其正比于電壓傳感器18 的輸入端6、7之間的電勢差Δν。隨時間變化的電壓信號Vmtt以數(shù)字化的形式提供給微處理器15，以便計算電路參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于瞬時電壓、方均根(RMS)電壓、峰值電壓、直流電壓和頻率。可以有多種方法，從MTJ器件11兩端輸出電壓VMTJ，獲取可以送給微處理器15的電壓傳感器輸入端6和7的電壓。通常，在傳遞給微處理器15之前，Vmtt需要使用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC14進行采樣和數(shù)字化。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 14的采樣速率必須至少兩倍于輸入信號的諧波的最高頻率。由微處理器15精確計算所需參數(shù)，依賴于MTJ器件11所提供的縮放電壓VM 。每個波形的縮放因子依使用情況和傳感器的具體特性而定。為了簡化隔離式電壓傳感器18的設(shè)計和提高準確性，可以調(diào)節(jié)MTJ器件11的輸出，以保持在ADC14的最佳輸入范圍內(nèi)。有兩種簡單的可供選擇的控制MTJ磁性傳感器響應(yīng)的方法，一種是如圖2中所示控制MTJ器件的偏置電壓；另一種是如圖3所示的，采用閉環(huán)工作的MTJ補償供電導(dǎo)線或電壓分流線圈3提供給傳感器的磁場。圖2顯示了典型的MTJ傳感器的磁場靈敏度隨偏置電壓的響應(yīng)曲線。對于較大的偏置電壓VBiasl，其響應(yīng)曲線如70所示，對于較小的偏置電壓VBias2，其響應(yīng)曲線如71所示。 在低場區(qū)，傳感器的輸出Vmu線性正比于外加磁場H。隨著傳感器偏置電壓的變化，響應(yīng)曲線的斜率β (Vmas) = VMTT/HS。發(fā)生改變。假定響應(yīng)曲線的斜率β (Vmas)已知，VBias可能會各有不同，以最大限度地提高ADC14的信噪比(S·)。這可以通過使用微處理器15來計算傳感器的最佳偏置電壓VBias，再將電壓經(jīng)導(dǎo)線50反饋到MTJ器件(如圖1所示)。然后，微處理器15對波形進行如下縮放
權(quán)利要求
1.一種獨立封裝的隔離式電壓傳感器(18)，其主要用來測量電路中兩個節(jié)點之間的電勢差，其特征是所述傳感器包括 串聯(lián)的內(nèi)部電阻asc)與電壓分流線圈(L)，串聯(lián)在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器(11)，該傳感器與電壓分流線圈(L)緊鄰配置，并與其磁耦合，該磁性傳感器檢測流過電壓分流線圈(L)的電流(Isc)，并響應(yīng)該電流(Isc)輸出一電壓信號(VMTT)，該輸出電壓信號代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差；一對模擬電壓信號進行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的采樣模塊(14)；一對采樣數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理模塊(15)；一將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可與后續(xù)的離片系統(tǒng)數(shù)據(jù)形式相兼容的接口邏輯模塊(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器包括MTJ器件。
3.如權(quán)利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接口邏輯模塊與分流電阻線圈、輸入信號電氣和物理隔離，隔離是通過使用的絕緣介電層來實現(xiàn)的。
4.如權(quán)利要求1所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。
5.如權(quán)利要求4所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器具有用以控制傳感器的響應(yīng)幅值的一偏置電壓響應(yīng)特征曲線。
6.如權(quán)利要求4所述的電壓傳感器，其特征是至少有一個磁性傳感器具有一個用以線性化傳感器響應(yīng)的片上電磁鐵。
7.—種獨立封裝的隔離式電壓傳感器(18)，主要用來隔離模擬輸入信號和模擬輸出信號，其特征是所述傳感器包括一串聯(lián)的內(nèi)部電阻(Rsc)與電壓分流線圈(L)，串聯(lián)在隔離電壓傳感器的輸入端之間；一磁性傳感器(11 )，該傳感器與電壓分流線圈(L)緊鄰配置，并與其磁耦合，該磁性傳感器檢測流過電壓分流線圈的電流，并響應(yīng)該電流輸出一電壓信號(VTO)，該輸出電壓信號代表隔離式電壓傳感器兩個輸入端之間的電勢差。
8.如權(quán)利要求7所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器包括MTJ器件。
9.如權(quán)利要求7所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器與輸入信號、分流電阻線圈電氣和物理隔離，隔離是通過使用的絕緣介電層來實現(xiàn)的。
10.如權(quán)利要求7所述的電壓傳感器，其特征是磁性傳感器由至少一個MTJ器件組成。
11.如權(quán)利要求10所述的電壓傳感器，其特征是所述磁性傳感器具有用以控制傳感器的響應(yīng)幅值的的一偏置電壓響應(yīng)特征曲線。
12.如權(quán)利要求10所述的電壓傳感器，其特征是至少一個磁性傳感器具有一用以線性化傳感器響應(yīng)的片上電磁鐵。
13.一種采用MTJ器件的隔離式電壓傳感器，其特征是MTJ器件的輸出線性正比于加到MTJ器件上的偏置電壓，所述MTJ器件及其偏置電壓被用來對傳感器的響應(yīng)進行自動縮放調(diào)整。
14.一種采用MTJ器件的隔離式電壓傳感器，其特征是MTJ器件具有一片上電磁鐵，所述片上電磁鐵用以線性化MTJ傳感器的響應(yīng)。
全文摘要
一種隔離式電壓傳感器，用于測量電路或輸電網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點之間的交流或直流電壓，該電壓與兩個節(jié)點的共模電勢電氣隔離。電路中兩測試點之間的電壓降是通過檢測流過并聯(lián)到測試點之間的分流電阻線圈的電流來測量的，流過分流電阻線圈的電流與測試點之間的電壓成線性正比，利用經(jīng)絕緣電介質(zhì)與分流電阻線圈隔離的磁性傳感器檢測線圈中電流的關(guān)聯(lián)磁場，可以測得分流電阻線圈中的電流。該傳感器可封裝成標準的集成電路，從而提供了一種體積小、成本低的電壓傳感器，用于測試、測量、控制和信號隔離等應(yīng)用場合。
文檔編號G01R19/00GK102305885SQ20111013535
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者沈衛(wèi)鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司