專利名稱：與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，屬于接口數(shù)據
信號通訊技術領域。背景技術：
隔離信號耦合器件廣泛應用于計算機網絡接口、數(shù)據傳輸、通訊、傳感器/測量儀 器、移動電子、醫(yī)療電子等多個領域。隔離信號耦合器件的基本作用就是在電氣隔離的狀態(tài) 下進行數(shù)據信號通訊。隔離信號耦合器件能夠減小或消除地面回路噪音和共模電壓效應 以及由此而引起的對接口和附屬電路的損壞?，F(xiàn)在應用比較廣泛的是光電信號隔離耦合 器件(以下簡稱光電耦合器)，其操作原理是基于對光信號的發(fā)射和探測。光電耦合器由 一層光學透明的絕緣層分開的光信號發(fā)射器和探測器密閉封裝在一起組成。光電耦合器 存在以下幾個本質缺點體積大、速度慢(< 10MHz)、不易集成、不防輻射和容易老化。因 此，光電耦合器越來越不適應現(xiàn)代高速電子系統(tǒng)的要求。顯然，需要開發(fā)新的技術以應對 光電耦合器的本質缺點所帶來的挑戰(zhàn)。光電耦合器依據光作為載體來傳遞信號，但信號也 可通過其它載體如磁場或電場等來傳遞。近年來，美國ADI公司推出的基于線圈互感原理 的iCoupler耦合器件技術和美國NVE公司開發(fā)成功的巨磁阻(GMR)磁電耦合器件技術都 是通過磁場作為載體來進行信號傳遞的。ADI公司的iCoupler耦合器件技術(美國專利 申請?zhí)?9/838， 520)是一種線圈線圈絕緣隔離配置的數(shù)字信號隔離耦合器件。它需要一 個專用的驅動電路將輸入電壓轉化為調制脈沖電流信號來產生調制脈沖磁場，然后通過獲 取線圈接收到的磁場信號并將信號解調為原始信號。該器件與光電耦合器件有截然區(qū)別， 它需要先將輸入信號轉化為脈沖電流信號，這增加了器件電路的復雜性并使器件與大多數(shù) 光電耦合器件在使用上不能兼容。NVE公司的巨磁阻(GMR)磁電耦合器件(美國專利號 US6，300，617)的中心結構是平面絕緣隔離的線圈-GMR傳感器接收單元。這種信號隔離耦 合器件需要一個電流驅動電路以使信號電流通過線圈產生信號磁場，然后通過GMR傳感器 單元探測接收信號磁場并通過讀出電路進行重構和讀出(如圖l所示)。驅動電路首先將 輸入信號轉化為一系列非常短的脈沖電流，該脈沖電流通過平面線圈以產生信號磁場。NVE 所設計的線圈是單層平面線圈(如圖2所示)，其有兩個電流信號輸入焊接盤，一個在線圈 內，一個在線圈外。為了保證線圈能夠產生足夠強的磁場以使工作在鎖存狀態(tài)下的磁敏傳 感器能夠正常工作，線圈中的電流需要高達50mA。根據信號電流/磁場的方向，磁敏傳感器 的輸出信號狀態(tài)將在磁滯回線的兩個剩磁狀態(tài)之間切換，即鎖存操作模式。探測到的信號 通過輸出放大器輸出。這種鎖存操作模式主要有三個缺點第一就是器件不能完全與光電 耦合器兼容，需要一個專用的驅動器將電壓信號轉換為電流信號；第二是在意外的電源掉 電后，輸出信號的狀態(tài)在重新啟動后不確定。第三是自由層的磁化翻轉涉及到了磁疇壁運 動，這不僅會產生巴克豪森噪音，而且還會限制翻轉速度。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題和提出的技術任務是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種采 用高靈敏度的磁敏傳感器作為測量單元來傳遞磁場信號、磁信號強度好、體積小、速度快、 靈敏度高、能耗低的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其與光電耦合器件 的工作模式類似，在使用上可與其完全兼容。為此，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明采用 如下技術方案 與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在于包括由線圈及與線 圈隔離并接受磁信號的高靈敏度磁敏傳感器和放大比較電路三部分，所述的線圈由相串聯(lián) 的兩層金屬平面線圈組成。磁電隔離信號耦合器件與光電耦合器件原理相似光電耦合器 件用光來傳遞信號，而磁電耦合器件用磁場來傳遞信號。磁電隔離信號耦合器件的具體工 作原理是先將電流輸入電壓信號通過線圈轉換成磁場信號，所產生的磁場信號被磁敏傳感 器接收并傳遞給放大比較電路后輸出。本發(fā)明所采用的雙層線圈結構具有以下優(yōu)點1)相 比于現(xiàn)有技術的單層線圈，單位電流通過時能夠產生更強的磁場信號，可增大通過線圈的 輸入信號電流所產生的信號磁場強度，在線圈下相同距離處傳感器產生的輸出更大；2)線 圈的電流焊盤位于同一側，可減小線圈的尺寸；3)輸入信號電流焊盤(Pad)可安排在線圈 之外，有利于芯片整體排版和縮小芯片尺寸。線圈配合高靈敏度的磁敏傳感器，信號傳輸效 果好。 對于上述技術方案的完善和補充，可以增加如下技術特征或其組合
所述的磁敏傳感器是GMR磁敏電阻或由其組合而成的電橋。 所述的磁敏傳感器是MTJ磁敏電阻或由其組合而成的電橋。MTJ磁敏電阻為 MTJ(磁隧道結)單元串聯(lián)而組成。 為降低器件能耗，線圈輸入電流產生的信號磁場強度與輸入電流值的比率要大， 同時探測信號磁場的磁敏傳感器的靈敏度要高。因此，本發(fā)明采用非常靈敏的GMR或MTJ 磁敏電阻或各自組成的電橋作為傳感器來測量信號磁場，這樣線圈中所需要的驅動電流很 小，不僅可降低能耗而且能使驅動電路簡化甚至不需要驅動電路，直接由數(shù)字信號源驅動。 這樣所發(fā)明的器件就可完全與光電耦合器件兼容，并可作為一種用于接口方面的通用信號 隔離耦合器件，可廣泛應用于計算機網絡接口 、數(shù)據傳輸、通訊、傳感器/測量儀器、移動電 子、醫(yī)療電子等領域。 所述的線圈上設置有軟磁屏蔽層。如NiFe層，可屏蔽外來無關磁場或環(huán)境磁場的 干擾，并進一步增強單位信號電流所產生磁場的強度。 所述的GMR磁敏電阻是由GMR自旋閥材料制成，GMR自旋閥材料是多層膜結構含 自由鐵磁層、非磁性導電層Cu層、被釘扎層和釘扎層四層。自由鐵磁層材料可是NiFeCo、 CoFe或其組合結構；被釘扎層可是NiFeCo、CoFe或復合層結構CoFe/Ru/CoFe ;釘扎層可是 IrMn、腿n、 P他或CrP他。 所述的MTJ磁敏電阻是由MTJ材料制成，MTJ材料含自由鐵磁層、隧道阻擋層、被 釘扎層和釘扎層四層。MTJ材料與GMR材料結構類似，含自由鐵磁層、隧道阻擋層、被釘扎層 和釘扎層四層。與GMR材料不同的地方是用隧道阻擋層取代了非磁性導電層Cu層。隧道 阻擋層可是AlA或MgO。 所述的磁敏傳感器為由線性的GMR磁敏電阻或MTJ磁敏電阻組成的惠斯通電橋。磁敏傳感器通常采用由四個腳電阻組成的惠斯通電橋結構。電橋的腳電阻則是GMR或MTJ 磁敏電阻。若所組成電橋的磁敏電阻單元被設計在線性工作模式下，它的電阻變化DR正比 于外加磁場強度。 所述的電橋上方設有絕緣層。磁敏電阻單元及其所組成的電橋與集成導線之間通 過一絕緣層如3^4或八1203來隔離，用于輸入電流線圈與磁敏單元之間的電隔離。
所述的線圈在單向電流模式或雙向電流模式下工作。根據信號電流流向，本發(fā)明 的磁電耦合器件可工作在單向模式也可工作在雙向模式下。在單向電流工作模式下，輸入 信號驅動電流在線圈中是單向流動的；在雙向電流工作模式下，線圈中的驅動電流是雙向 流動的。在單向電流工作模式下，在線圈中通有正向電流時的電橋輸出可以定義為"l"態(tài)， 而線圈中無電流時的電橋輸出可以定義為"O"態(tài)。這種單向電流工作模式與光電耦合器工 作模式完全兼容，因此可直接取代光電耦合器。"0"態(tài)和"1"態(tài)能夠被輸出放大器直接讀 取。在雙向電流工作模式下，在線圈中通有正向電流時的電橋輸出可以定義為"l"態(tài)，而線 圈中通有負向電流時的電橋輸出可以定義為"0 "態(tài)。"0 "態(tài)和"1"態(tài)能夠被輸出放大器直 接讀取。 所述的惠斯通電橋在沒有電流輸入時可預先設置一個初始輸出偏置值以代表"O" 態(tài)(初始態(tài))。單向電流模式或雙向電流模式下都可通過給傳感器電橋預先設置一個初始 輸出偏置值以定義為"0"態(tài)(初始態(tài))。這樣器件在意外掉電后始終回到一個固定的"O" 態(tài)(初始態(tài))，這對系統(tǒng)的電源失效保護非常重要。 本發(fā)明利采用雙層金屬線圈以及GMR或MTJ傳感器， 一方面提高信號磁場轉換效 率，另一方面采用高靈敏度的GMR或MTJ磁敏傳感器電橋接收、傳遞信號，所需驅動電流小、 能耗低，可直接由數(shù)字信號源驅動，體積小，單向電流工作模式與光電耦合器工作模式完全 兼容，因此可直接取代光電耦合器。


圖1為現(xiàn)有技術中NVE公司開發(fā)的磁電信號隔離耦合器件原理示意圖；
圖2為現(xiàn)有技術中NVE公司開發(fā)的GMR磁電耦合器件的驅動電路示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例的MTJ磁電數(shù)字耦合器原理示意圖；
圖4為本發(fā)明實施例中雙層線圈的結構示意圖；
圖5為本發(fā)明實施例中雙層線圈的剖面結構示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例中無磁場屏蔽層時，在線圈下8 y m處磁場X分量沿X軸的強 度分布圖； 圖7為本發(fā)明實施例中具有屏蔽層的雙層線圈的結構示意圖；
圖8為本發(fā)明實施例有磁場屏蔽層時，在線圈下8 ii m處磁場X分量沿X軸的圖；
圖9為本發(fā)明實施例中電橋傳感單元與集成導線之間的相對位置示意圖；
圖10為現(xiàn)有技術中光電耦合器示意圖(a)和本發(fā)明實施例的結構示意圖(b);
圖11為本發(fā)明實施例中GMR磁敏電阻結構示意圖； 圖12為本發(fā)明實施例中工作在線性模式下的GMR自旋閥材料結構示意圖(a)及 對信號磁場的響應曲線(b); 圖13為本發(fā)明實施例工作在雙向模式下的磁電數(shù)字信號隔離耦合器的電壓、磁場范圍圖； 圖14為本發(fā)明實施例工作在單向模式下的磁電數(shù)字信號隔離耦合器的電壓、磁 場范圍圖； 圖15為本發(fā)明實施例的應用結構示意圖。 圖中1、線圈，11、焊盤，2、屏蔽層，3、釘扎層，4、被釘扎層，5、 Cu層，6、自由鐵磁 層，Rl、第一電阻，R2、第二電阻，R3、第三電阻，R4、第四電阻。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的實質性特點作進一步的說明。
圖1、圖2分別為現(xiàn)有技術示意圖，在此不多贅述。 如圖3所示，本發(fā)明首先將輸入電壓信號通過線圈轉換成磁場信號，所產生的磁 場信號被線性磁敏傳感器接收并通過輸出比較電路整形輸出。 如圖4、5所示，本發(fā)明中線圈1由相串聯(lián)的兩層金屬平面線圈所組成，焊盤ll可 位于線圈外并在同一側，以縮小整體結構。實際產品中每層由8道線圈組成，兩層線圈之間 的間距為liim，上下基本重疊。線圈的進線和回線布線間的間距均為30iim，布線線寬為 2iim，布線之間的間距為1.5iim。 如圖6所示，在4mA激勵電流下，在進線布線和回線布線的中心下方8 y m處產生 的磁場約為9. 0 Oe。在進線布線下產生約8. 5 0e的平均正磁場；在回線布線下產生約8. 5 0e的平均負磁場。 如圖7所示，可在雙層線圈上方加上屏蔽層2，屏蔽層2距離上層線圈約0. 5 ii m較
為適宜，屏蔽層材料可采用NiFe或其它等同材質。這層屏蔽層不僅可以減小外來無關磁場
或環(huán)境磁場對磁敏傳感器件的干擾，還可增強單位信號電流所產生磁場的強度。 圖8是在4mA激磁電流下產生的在線圈下8iim處的平行于X軸的磁場。對比圖6
所示的無NiFe屏蔽層的狀況，信號磁場增強了近一倍在進線布線下產生約16. 8 0e的正
磁場；在回線布線下產生約16. 8 0e的負磁場。激勵電流產生信號磁場的效率約為4. 20e/mA。 如圖9所示，如果磁性傳感器電橋的4個磁敏電阻單元R1、R2、R3、R4與集成導線 線圈的相對位置形成"推拉結構"，磁性傳感器的輸出可實現(xiàn)最大化。 在有NiFe磁場屏蔽層時，假設信號電流為lmA，傳感器電橋電壓為5V，組成傳感 器電橋的磁敏電阻隨外場的變化靈敏度為0. 25% /0e，則電橋輸出為5000mVX (0. 25% / 0e) X (lmAX4. 20e/mA) = 52. 5mV。因為GMR和MTJ材料的磁阻變化率大，很容易使設計得 到的磁阻隨外場的變化靈敏度大于O. 25% /0e。正因為雙層線圈的高信號磁場轉換效率和 GMR或MTJ傳感器的高靈敏度，所設計的磁電信號隔離耦合器件只需極小的驅動電流就可 以工作，因此所發(fā)明的器件也可以直接通過數(shù)字信號源來驅動。本發(fā)明的磁電信號隔離耦 合器件既可以工作在單向模式下也可以工作在雙向模式下在單向電流工作模式下，線圈 中的驅動電流是單向流動的；雙向電流工作模式下，線圈中的驅動電流是雙向流動的。當把 器件設計成工作在單向模式時，器件在功能上和光耦合器等效，因此可以用于直接替換光 電耦合器產品。 圖IO為光電耦合器與本發(fā)明的磁電耦合器的工作原理電路比較示意圖。(a)中，一個典型的光電耦合器的正向工作電流If為5mA。電流通過LED時，發(fā)出的光信號傳輸?shù)?電氣隔離的另一端，并被位于另一端的光探測器接收。 (b)中，本發(fā)明提出的磁電信號隔離耦合器技術與光電耦合器技術工作模式類似 并在使用上可完全兼容。只是光耦合器件用光來傳遞信號，而磁電耦合器用磁場傳遞信號。 磁電耦合器的具體工作原理是先將電信號轉換成磁場信號，然后再通過一個磁敏傳感器電 橋來接收傳遞。因為線性GMR或MTJ磁敏傳感器電橋具有極高的靈敏度，能夠探測If在5mA 以下電流驅動下的線圈產生的磁場信號，這不僅使器件能耗大大減少而且也可在信號輸入 端的使用上與光電耦合器件完全相同。接收磁場信號的磁敏傳感器可是GMR電阻或由其組 合而成的電橋，也可是MTJ電阻或由其組合而成的電橋。 如圖11所示，典型的GMR磁敏單元是由GMR材料刻蝕成的蛇形電阻組成。
如圖12所示，工作在線性模式下的GMR自旋閥材料多層膜結構包括依次排列的自 由鐵磁層6、非磁性導電Cu層5、被釘扎層4和釘扎層3四層。自由鐵磁層材料可是NiFeCo、 CoFe或其組合結構；被釘扎層可是NiFeCo、CoFe或復合層結構CoFe/Ru/CoFe ;釘扎層可是 IrMn、NiMn、PtMn或CrPtMn。 MTJ材料與GMR材料結構類似，含自由鐵磁層、隧道阻擋層、被 釘扎層和釘扎層四層。與GMR材料不同的地方是用隧道阻擋層取代了非磁性導電Cu層。隧 道阻擋層可是A1203或Mg0。被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層的交換耦合固定在 縱軸方向(y方向)。而自由層的磁化方向沒被固定，可隨信號磁場的方向變化而轉動。GMR 單元的電阻變化量A R隨自由層磁化方向而改變，并且正比于自由層磁化方向與x軸夾角 的正弦值。由能量平衡關系可以推出，AR也因此正比于其感應的磁場強度。
磁電耦合器可選擇工作在雙向電流模式或單向電流模式下。在單向模式下，輸入 信號驅動電流在線圈中是單向流動的；雙向模式下，線圈中的驅動電流是雙向流動的。電流 產生的磁場信號被磁敏傳感器接收、輸出，輸出的信號通過一個電壓比較器進行信號重構。 設計的電壓比較器應該具有較小的輸入信號遲滯，如士10mV。 如圖13所示，本發(fā)明的MTJ磁電數(shù)字耦合器工作在雙向模式下，可使MTJ磁敏傳 感器電橋的初始輸出偏置設置為0mV。這樣，在線圈中通有正向電流(將產生正向的信號磁 場)時的電橋輸出(如52.5mV)可以定義為"l"態(tài)，而線圈中通有負向電流時的電橋輸出 (如-52. 5mV)可以定義為"0"態(tài)。 如圖14所示，MTJ磁電數(shù)字耦合器也可工作在與光電耦合器件相似的單向電流
工作模式下，磁敏傳感器電橋在沒有電流輸入時可可預先設置一個初始輸出偏置值，比 如-26mV。這個偏置可以表示"0"態(tài)。在線圈中通有正向電流時的電橋輸出，比如26. 5mV， 可以定義為"l"態(tài)。"0"態(tài)和"1"態(tài)能夠被輸出放大器直接讀取。上面提出的單向電流工 作模式與光電耦合器模式完全兼容，器件在意外掉電后始終回到一個固定的"O"態(tài)(初始 態(tài))。 如圖15所示，系本發(fā)明的磁電信號隔離耦合器件的一個應用圖示，在使用上與光 電耦合器件完全一樣。信號電壓通過一個外接電阻流過線圈產生信號磁場，被惠斯通電橋 接收，通過比較器重構后實現(xiàn)信號輸出。由于磁敏傳感器靈敏度高，只需要較小的測量信 號，因此線圈中所需要的驅動電流也很小。如果線性磁敏傳感器足夠靈敏，甚至可以不需要 驅動電路，直接由數(shù)字信號源驅動。這就可以提供一種用于接口方面的通用信號隔離耦合 器件。在提出的這種方法中，由于需要的驅動電流很小，不僅能降低能耗而且能使 動電路簡化甚至去除。這對器件的應用非常重要。 以上附圖所示的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件是本發(fā)明的具 體實施例，顯示其在使用上可與光電耦合器完全兼容，已經體現(xiàn)出本發(fā)明突出的實質性特 點和顯著的進步，可根據實際的使用需要，對電橋的電路、元器件規(guī)格、材質以及排列方式 等方面進行修改，在此不多贅述。
權利要求
與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在于包括由線圈及與線圈隔離并接受磁信號的高靈敏度磁敏傳感器和放大比較電路三部分，所述的線圈由相串聯(lián)的兩層金屬平面線圈(1)組成。
2. 根據權利要求1所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在 于所述的磁敏傳感器是GMR磁敏電阻或由其組合而成的電橋。
3. 根據權利要求1所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在 于所述的磁敏傳感器是MTJ磁敏電阻或由其組合而成的電橋。
4. 根據權利要求1或2或3所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件， 其特征在于所述的線圈上設置有軟磁屏蔽層(2)。
5. 根據權利要求2所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在 于所述的GMR磁敏電阻是由GMR自旋閥材料制成，GMR自旋閥材料是多層膜結構含自由鐵 磁層(6)、非磁性導電層Cu層(5)、被釘扎層(4)和釘扎層(3)四層。
6. 根據權利要求3所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在 于所述的MTJ磁敏電阻是由MTJ材料制成，MTJ材料含自由鐵磁層、隧道阻擋層、被釘扎層 和釘扎層四層。
7. 根據權利要求1或2或3或5或6所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦 合器件，其特征在于所述的磁敏傳感器為由線性的GMR磁敏電阻或MTJ磁敏電阻組成的惠 斯通電橋。
8. 根據權利要求7所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征在 于所述的電橋上方設有絕緣層。
9. 根據權利要求5或6所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特 征在于所述的線圈在單向電流模式或雙向電流模式下工作。
10. 根據權利要求8所述的與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，其特征 在于所述的惠斯通電橋在沒有電流輸入時可預先設置一個初始輸出偏置值以代表"O"態(tài) (初始態(tài))。
全文摘要
與光電耦合器兼容的高速磁電隔離信號耦合器件，屬于接口數(shù)據信號通訊技術領域?，F(xiàn)有技術中光電耦合器存在體積大、速度慢、不易集成、不防輻射和容易老化等缺點；巨磁阻磁電耦合器件需要專用的驅動器，意外的電源掉電后，輸出信號的狀態(tài)在重新啟動后不確定，會產生巴克豪森噪音、限制翻轉速度。本發(fā)明其特征在于包括由線圈及與線圈隔離并接受磁信號的高靈敏度磁敏傳感器和放大比較電路三部分，線圈由相串聯(lián)的兩層金屬平面線圈組成，其優(yōu)點在于信號磁場轉換效率高、體積小、靈敏度高、能耗低、可與光電耦合器兼容。
文檔編號H01L25/16GK101728377SQ20091031112
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權日2009年12月9日
發(fā)明者錢正洪 申請人:錢正洪