CN110857951A

CN110857951A - 电流传感器

Info

Publication number: CN110857951A
Application number: CN201910614939.XA
Authority: CN
Inventors: 袁辅德
Original assignee: Isentek Inc
Current assignee: Isentek Inc
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: US20200064378A1; US10866267B2; CN110857951B

Abstract

本发明提供一种电流传感器，包括基板、导线、第一异向性磁电阻单元、第二异向性磁电阻单元、第三异向性磁电阻单元、第四异向性磁电阻单元、第一磁化方向设定元件及第二磁化方向设定元件。导线具有第一导电段与第二导电段，分别配置于基板的相对的第一端与第二端下方。第一异向性磁电阻单元与第二异向性磁电阻单元配置于基板的第一端上方。第三异向性磁电阻单元与第四异向性磁电阻单元配置于基板的第二端上方。第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件用以设定异向性磁电阻单元的磁化方向。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种电流传感器。

背景技术

电流感测是工业自动化中不可或缺的元素之一。近年来，电流感测的需求从工业用途扩展至智能居家与智能城市领域的消费者产品与应用。高准确度、快速反应、小体积、低功耗及可靠的品质成为新一代电流传感器所追求的目标。

目前有多种方法可以测量导体中的电流。举例而言，可利用分路电阻器(shuntresistor)通过测量横跨其的电压差来推算出电流。然而，此电阻相量小，因此电流消耗高，而不适用于小型或可携式装置。此外，高电流会产生热，而造成其他问题。

发明内容

本发明提供一种电流传感器，具有高敏感度、高准确度及低功耗。

本发明的一实施例提出一种电流传感器，包括基板、导线、第一异向性磁电阻(anisotropic magnetoresistor,AMR)单元、第二异向性磁电阻单元、第三异向性磁电阻单元、第四异向性磁电阻单元、第一磁化方向设定元件及第二磁化方向设定元件。导线具有第一导电段与第二导电段，其中第一导电段与第二导电段排列于第一方向上，各自沿着第二方向延伸，且分别配置于基板的相对的第一端与第二端下方。第一异向性磁电阻单元与第二异向性磁电阻单元配置于基板的第一端上方，且沿着第一方向排列。第三异向性磁电阻单元与第四异向性磁电阻单元配置于基板的第二端上方，且沿着第一方向的反方向排列。第一磁化方向设定元件用以设定第一异向性磁电阻单元与第二异向性磁电阻单元的磁化方向。第二磁化方向设定元件用以设定第三异向性磁电阻单元与第四异向性磁电阻单元的磁化方向。当电流流经导线时，因感应于电流所产生的磁场，第一异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化相反于第二异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化，且第三异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化相反于第四异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化，且第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元电性连接成惠斯登电桥(Wheatstone bridge)，以输出对应于第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化的电压信号。

在本发明的一实施例中，电流传感器还包括运算器，电性连接至惠斯登电桥的输出端，其中第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件将第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元的磁化方向组合设定为第一组合，以使惠斯登电桥之后输出第一电压信号，且第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件再将第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元的磁化方向组合设定为相反于第一组合的第二组合，以使惠斯登电桥之后输出第二电压信号。运算器用以将第一电压信号与第二电压信号相减，以输出对应于电流所产生的磁场的大小的输出电压信号。

在本发明的一实施例中，运算器用以将第一电压信号与第二电压信号相加，以输出偏移电压信号。

在本发明的一实施例中，当电流流经导线时，电流在第一导电段中的流向相反于在第二导电段中的流向。

在本发明的一实施例中，第一方向垂直于第二方向。

在本发明的一实施例中，电流流经第一导电段时在第一异向性磁电阻单元与第二异向性磁电阻单元处所产生的磁场在第一方向上的分量的方向相反于电流流经第二导电段时在第三异向性磁电阻单元与第四异向性磁电阻单元处所产生的磁场在第一方向上的分量的方向。

在本发明的一实施例中，惠斯登电桥对应于在第一方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，对应于在第二方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，且对应于在第三方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，其中第三方向垂直于第一方向与第二方向。

在本发明的一实施例中，第一异向性磁电阻单元包括沿着第二方向的反方向依序排列的第一异向性磁电阻与第二异向性磁电阻，第二异向性磁电阻单元包括沿着第二方向的反方向依序排列的第三异向性磁电阻与第四异向性磁电阻，第三异向性磁电阻单元包括沿着第二方向的反方向依序排列的第五异向性磁电阻与第六异向性磁电阻，且第四异向性磁电阻单元包括沿着第二方向的反方向依序排列的第七异向性磁电阻与第八异向性磁电阻。

在本发明的一实施例中，在第一时间，第一磁化方向设定元件将第一异向性磁电阻与第三异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向的反方向，且将第二异向性磁电阻与第四异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向。在第一时间，第二磁化方向设定元件将第五异向性磁电阻与第七异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向的反方向，且将第六异向性磁电阻与第八异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向。在第二时间，第一磁化方向设定元件将第一异向性磁电阻与第三异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向，且将第二异向性磁电阻与第四异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向的反方向。在第二时间，第二磁化方向设定元件将第五异向性磁电阻与第七异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向，且将第六异向性磁电阻与第八异向性磁电阻的磁化方向设定为第二方向的反方向。

在本发明的一实施例中，第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件为导电片、导电线圈、导线或导体。

在本发明的实施例的电流传感器中，由于采用了异向性磁电阻单元连接成惠斯登电桥来感测导线中的电流所产生的磁场，因此对电流的感测具有高敏感度与高准确度。此外，由于本发明的实施例的电流传感器是利用感测电流所产生的磁场的方式来反推电流的大小，而异向性磁电阻单元不会直接接触到电流，因此可以具有较低的功耗。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一实施例的一种电流传感器的上视示意图；

图2是图1的电流传感器沿着A-A线的剖面示意图；

图3A与图3B是用以说明图1中的异向性磁电阻的运作原理；

图4A与图4B分别示出图1的电流传感器于第一时间与第二时间的异向性磁电阻的磁化方向及其后的电阻值变化；

图5为图4A与图4B的惠斯登电桥的输出电压-电流曲线图；

图6示出图4A与图4B的惠斯登电桥耦接至运算器；

图7、图8及图9分别示出图1的电流传感器于第二时间的异向性磁电阻的磁化方向及其后受到三个不同方向的外在磁场分量时的电阻值变化。

附图标记说明

100：电流传感器

110：导线

120：封装体

210：基板

212：第一端

214：第二端

222：第一异向性磁电阻单元

224：第二异向性磁电阻单元

226：第三异向性磁电阻单元

228：第四异向性磁电阻单元

300：异向性磁电阻

310：短路棒

320：铁磁膜

400：运算器

410、420：算术运算器

C1：第一导电段

C2：第二导电段

D：延伸方向

D1：第一方向

D2：第二方向

D3：第三方向

H：外在磁场

HC：磁场分量

HE1、HE2、HE3：外在磁场分量

I、i、I1、I2：电流

M、M13、M13’、M24、M24’、M57、M57’、M68、M68’：磁化方向

M1：第一磁化方向设定元件

M2：第二磁化方向设定元件

P1、P2、P3、P4、P5：接点

R1：第一异向性磁电阻

R2：第二异向性磁电阻

R3：第三异向性磁电阻

R4：第四异向性磁电阻

R5：第五异向性磁电阻

R6：第六异向性磁电阻

R7：第七异向性磁电阻

R8：第八异向性磁电阻

ΔR：电阻值变化

V₁：第一电压信号

V₂：第二电压信号

V_off：偏移电压信号

V_out：输出电压信号

具体实施方式

图1是本发明的一实施例的一种电流传感器的上视示意图，而图2是图1的电流传感器沿着A-A线的剖面示意图。请参照图1与图2，本实施例的电流传感器100包括基板210、导线110、第一异向性磁电阻单元222、第二异向性磁电阻单元224、第三异向性磁电阻单元226、第四异向性磁电阻单元228、第一磁化方向设定元件M1及第二磁化方向设定元件M2。导线110具有第一导电段C1与第二导电段C2，其中第一导电段C1与第二导电段C2排列于第一方向D1上，各自沿着第二方向D2延伸，且分别配置于基板210的相对的第一端212与第二端214下方。电流传感器100所存在的空间可以由彼此不同的第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3所建构，在本实施例中，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3可以彼此互相垂直。然而，在其他实施例中，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3也可以是彼此不垂直且不相同。

第一异向性磁电阻单元222与第二异向性磁电阻单元224配置于基板210的第一端212上方，且沿着第一方向D1排列。第三异向性磁电阻单元226与第四异向性磁电阻单元228配置于基板210的第二端214上方，且沿着第一方向D1的反方向排列。上述基板210的第一端212下方至基板210的第一端212上方的方向即为第三方向D3。

第一磁化方向设定元件M1用以设定第一异向性磁电阻单元222与第二异向性磁电阻单元224的磁化方向。第二磁化方向设定元件M2用以设定第三异向性磁电阻单元226与第四异向性磁电阻单元228的磁化方向。

当电流I流经导线110时，因感应于电流I所产生的磁场，第一异向性磁电阻单元222所产生的电阻值变化相反于第二异向性磁电阻单元224所产生的电阻值变化，且第三异向性磁电阻单元226所产生的电阻值变化相反于第四异向性磁电阻单元228所产生的电阻值变化，且第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元222、224、226及228电性连接成惠斯登电桥，以输出对应于第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元222、224、226及228所产生的电阻值变化的电压信号。

在本实施例中，第一异向性磁电阻单元222包括沿着第二方向D2的反方向依序排列的第一异向性磁电阻(anisotropic magnetoresistor,AMR)R1与第二异向性磁电阻R2，第二异向性磁电阻单元224包括沿着第二方向D2的反方向依序排列的第三异向性磁电阻R3与第四异向性磁电阻R4，第三异向性磁电阻单元226包括沿着第二方向D2的反方向依序排列的第五异向性磁电阻R5与第六异向性磁电阻R6，且第四异向性磁电阻单元228包括沿着第二方向D2的反方向依序排列的第七异向性磁电阻R7与第八异向性磁电阻R8。上述的第一至第八异向性磁电阻R1～R8的数量都是各自以一个为例，然而，在其他实施例中，每一个异向性磁电阻亦可以用串联的多个异向性磁电阻来取代。举例而言，第一异向性磁电阻R1可以用多个串联的第一异向性磁电阻R1来取代。

在本实施例中，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2及第一至第四异向性磁电阻单元222、224、226及228可设置于基板210上，而磁化方向设定元件与异向性磁电阻单元之间可通过绝缘层来隔开。在本实施例中，第一磁化方向设定元件M1配置于第一及第二异向性磁电阻单元222、224与第一导电段C1之间，且第二磁化方向设定元件M2配置于第三及第四异向性磁电阻单元226、228与第二导电段C2之间。然而，在其他实施例中，亦可以是第一及第二异向性磁电阻单元222、224配置于第一磁化方向设定元件M1与第一导电段C1之间，且第三及第四异向性磁电阻单元226、228配置于第二磁化方向设定元件M2与第二导电段C2之间。或者，在其他实施例中，第一磁化方向设定元件M1亦可以是在第一及第二异向性磁电阻单元222、224的上下两方都有分布，且第二磁化方向设定元件M2亦可以是在第三及第四异向性磁电阻单元226、228的上下两方都有分布。

另外，导线110可被封装体120包覆，而导线110的两端则暴露于封装体120外，其中封装体120例如是绝缘材质。基板210可配置于封装体120上。

图3A与图3B是用以说明图1中的异向性磁电阻的运作原理。请先参照图3A，异向性磁电阻300具有理发店招牌(barber pole)状结构，亦即其表面设有相对于异向性磁电阻300的延伸方向D倾斜45度延伸的多个短路棒(electrical shorting bar)310，这些短路棒310彼此相间隔且平行地设置于铁磁膜(ferromagnetic film)320上，而铁磁膜320为异向性磁电阻300的主体，其延伸方向即为异向性磁电阻300的延伸方向D。此外，铁磁膜320的相对两端可制作成尖端状。

异向性磁电阻300在开始测量外在磁场H之前，可先通过磁化方向设定元件(例如图1的第一磁化方向设定元件M1或第二磁化方向设定元件M2)来设定其磁化方向，其中磁化方向设定元件例如是可以通过通电产生磁场的线圈、导线、金属片或导体。在图3A中，磁化方向设定元件可通过通电产生沿着延伸方向D的磁场，以使异向性磁电阻300具有磁化方向M。

接着，磁化方向设定元件不通电，以使异向性磁电阻300开始测量外在磁场H。当没有外在磁场H时，异向性磁电阻300的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时施加电流i，使电流i从异向性磁电阻300的左端流往右端，则短路棒310附近的电流i的流向会与短路棒310的延伸方向垂直，而使得短路棒310附近的电流i流向与磁化方向M夹45度，此时异向性磁电阻300的电阻值为R。

当有外在磁场H朝向垂直于延伸方向D的方向时，异向性磁电阻300的磁化方向M会往外在磁场H的方向偏转，而使得磁化方向与短路棒附近的电流i流向的夹角大于45度，此时异向性磁电阻300的电阻值有-ΔR的变化，即成为R-ΔR，也就是电阻值变小，其中ΔR大于0。

然而，若如图3B所示，当图3B的短路棒310的延伸方向设于与图3A的短路棒310的延伸方向夹90度的方向时(此时图3B的短路棒310的延伸方向仍与异向性磁电阻300的延伸方向D夹45度)，且当有外在磁场H时，此外在磁场H仍会使磁化方向M往外在磁场H的方向偏转，此时磁化方向M与短路棒310附近的电流i流向的夹角会小于45度，如此异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR，亦即异向性磁电阻300的电阻值变大。

此外，通过磁化方向设定元件将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图3A所示的反向时，之后在外在磁场H下的图3A的异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR。再者，通过磁化方向设定元件将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图3B所示的反向时，之后在外在磁场H下的图3B的异向性磁电阻300的电阻值会变成R-ΔR。

综合上述可知，当短路棒310的设置方向改变时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之，且当磁化方向设定元件所设定的磁化方向M改变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。当外在磁场H的方向变为反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。然而，当通过异向性磁电阻300的电流i变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化则维持与原来相同正负号，即原本若为+ΔR，改变电流方向后仍为+ΔR，若原本为-ΔR，改变电流方向后仍为-ΔR。

依照上述的原则，便可通过设计短路棒310的延伸方向或磁化方向设定元件所设定的磁化方向M来决定当异向性磁电阻300受到外在磁场H的某一分量时，异向性磁电阻300的电阻值R的变化方向，即电阻值R变大或变小，例如变化量是+ΔR或-ΔR。

图4A与图4B分别示出图1的电流传感器于第一时间与第二时间的异向性磁电阻的磁化方向及其后的电阻值变化，并示出了第一至第八异向性磁电阻R1～R8中的短路棒的延伸方向。请参照图4A与图4B，在本实施例中，第一至第八异向性磁电阻R1～R8的延伸方向皆为第二方向D2，而其短路棒310的延伸方向则如图4A所示出，其分别在两个不同的方向上与第二方向D2夹45度，且这两个不同的方向是平行于第一方向D1与第二方向D2所建构的平面。

当导线110被通以电流I(如图1所示出)时，在第一导电段C1中的电流I1与在第二导电段C2中的电流I2的方向例如分别为第二方向D2与第二方向D2的反方向。此时，电流I1在第一至第四异向性磁电阻R1～R4上产生沿着第一方向D1的磁场分量HC，且电流I2在第五至第八异向性磁电阻R5～R8上产生沿着第一方向D1的反方向的磁场分量HC。在本实施例中，电流I1的大小等于电流I2的大小。此外，在本实施例中，当电流I流经导线110时，电流I在第一导电段C1中的流向(即电流I1的流向)相反于在第二导电段C2中的流向(即电流I2的流向)。此外，在本实施例中，电流I1流经第一导电段C1时在第一异向性磁电阻单元222与第二异向性磁电阻单元224处所产生的磁场在第一方向D1上的分量(即图4A与图4B左方的磁场分量HC，其朝向第一方向D1)的方向相反于电流I2流经第二导电段C2时在第三异向性磁电阻单元226与第四异向性磁电阻单元228处所产生的磁场在第一方向D1上的分量(即图4A与图4B右方的磁场分量HC，其朝向第一方向D1的反方向)的方向。

在第一时间，第一磁化方向设定元件M1将第一异向性磁电阻R1与第三异向性磁电阻R3的磁化方向M13设定为第二方向D2的反方向，且将第二异向性磁电阻R2与第四异向性磁电阻R4的磁化方向M24设定为第二方向D2。此外，在第一时间，第二磁化方向设定元件M2将第五异向性磁电阻R5与第七异向性磁电阻R7的磁化方向M57设定为第二方向D2的反方向，且将第六异向性磁电阻R6与第八异向性磁电阻R8的磁化方向M68设定为第二方向D2。在本实施例中，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2例如为可以通过通电产生磁场的导电线圈、导线、导电片(例如金属片)或导体，只要是能够产生沿着磁化方向M13、M24、M57、M68的磁场的导电结构皆可作为第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2。

在第一时间之后，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2会停止产生磁场，例如第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2不再被通以电流而产生磁场，此时，第一至第四异向性磁电阻R1～R4便能够感应于电流I1所产生的磁场分量HC而分别产生-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR的电阻值变化，且第五至第八异向性磁电阻R5～R8便能够感应于电流I2所产生的磁场分量HC而分别产生+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR的电阻值变化。

在本实施例中，第一异向性磁电阻R1、第二异向性磁电阻R2、第六异向性磁电阻R6及第五异向性磁电阻R5可从接点P1依序串联至接点P2，接点P3可电性连接至第二异向性磁电阻R2与第六异向性磁电阻R6之间的导电路径，第三异向性磁电阻R3与第四异向性磁电阻R4可从接点P1依序串联至接点P4，而第七异向性磁电阻R7与第八异向性磁电阻R8可从接点P2依序串联至接点P5。接点P3可接收参考电压VDD，而接点P4与接点P5可耦接至地(ground)，此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会是(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于磁场分量HC的大小，进而对应于流经导线110的电流I的大小，此后将此输出信号称为第一电压信号V₁。在另一实施例中，亦可以是接点P3耦接至地，而接点P4与接点P5接收参考电压VDD。

在此之后的第二时间，第一磁化方向设定元件M1将第一异向性磁电阻R1与第三异向性磁电阻R3的磁化方向M13’设定为第二方向D2，且将第二异向性磁电阻R2与第四异向性磁电阻R4的磁化方向M24’设定为第二方向D2的反方向。此外，在第二时间，第二磁化方向设定元件M2将第五异向性磁电阻R5与第七异向性磁电阻R7的磁化方向M57’设定为第二方向D2，且将第六异向性磁电阻R6与第八异向性磁电阻R8的磁化方向M68’设定为第二方向D2的反方向。

在第二时间之后，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2会停止产生磁场，此时，第一至第四异向性磁电阻R1～R4便能够感应于电流I1所产生的磁场分量HC而分别产生+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR的电阻值变化，且第五至第八异向性磁电阻R5～R8便能够感应于电流I2所产生的磁场分量HC而分别产生-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR的电阻值变化。此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于磁场分量HC的大小，进而对应于流经导线110的电流I的大小，此后将此输出信号称为第二电压信号V₂。

图5为图4A与图4B的惠斯登电桥的输出电压-电流曲线图，而图6示出图4A与图4B的惠斯登电桥耦接至运算器。请参照图4A、图4B、图5与图6，在本实施例中，电流传感器100还包括运算器400，电性连接至惠斯登电桥的输出端(即接收第一电压信号V₁与第二电压信号V₂)，其中第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2将第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元222、224、226及228的磁化方向组合设定为第一组合(即如图4A的磁化方向M13、磁化方向M24、磁化方向M57及磁化方向M68的组合)，以使惠斯登电桥之后输出第一电压信号V₁，且第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2再将第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元222、224、226及228的磁化方向组合设定为相反于第一组合的第二组合(即如图4B的磁化方向M13’、磁化方向M24’、磁化方向M57’及磁化方向M68’的组合)，以使惠斯登电桥之后输出第二电压信号V₂。运算器400用以将第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相减，以输出对应于电流I所产生的磁场的大小的输出电压信号V_out。此外，在本实施例中，运算器400亦可用以将第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相加，以输出偏移电压信号V_off。

具体而言，运算器400可包括算术运算器410与算术运算器420，其中算术运算器410例如为加法器，其用以将第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相加，以输出偏移电压信号V_off。此外，算术运算器420例如为减法器，其用以将第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相减，以输出对应于电流I所产生的磁场的大小的输出电压信号V_out。

由图5可知，惠斯登电桥的输出电压-电流曲线可能存在偏移电压信号V_off，而第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相加之后则可剩下偏移电压信号V_off，且第一电压信号V₁与第二电压信号V₂相减后，其输出电压-电流曲线会通过电压与电流皆为零的点，而使得在某一段范围内电压与电流几乎成正比，而使得电阻值变化ΔR可以准确地经由输出电压信号V_out来估算。

在本实施例中，接点P1～P5及运算器400例如是存在于基板210中，而基板210为线路基板，例如是半导体基板。

图7、图8及图9分别示出图1的电流传感器于第二时间的异向性磁电阻的磁化方向及其后受到三个不同方向的外在磁场分量时的电阻值变化。请先参照图7，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2在第二时间完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的设定之后，当有沿着第一方向D1的外在磁场分量HE1存在时，第一至第八异向性磁电阻R1～R8所产生的电阻值变化分别为+ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR，如此一来，当接点P3接收参考电压VDD，而接点P4与接点P5耦接至地时，此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会为零。

请再参照图8，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2在第二时间完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的设定之后，当有沿着第二方向D2的外在磁场分量HE2存在时，第一至第八异向性磁电阻R1～R8所产生的电阻值变化皆为零，这是因为第二方向D2不是第一至第八异向性磁电阻R1～R8所能感测的方向。如此一来，当接点P3接收参考电压VDD，而接点P4与接点P5耦接至地时，此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会为零。

请再参照图9，第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2在第二时间完成磁化方向M13’、M24’、M57’、M68’的设定之后，当有沿着第三方向D3的外在磁场分量HE3存在时，第一至第八异向性磁电阻R1～R8所产生的电阻值变化皆为零，这是因为第三方向D3不是第一至第八异向性磁电阻R1～R8所能感测的方向。如此一来，当接点P3接收参考电压VDD，而接点P4与接点P5耦接至地时，此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会为零。

也就是说，在本实施例中，惠斯登电桥对应于在第一方向D1上的外在磁场分量HE1所输出的电压信号为零，对应于在第二方向D2上的外在磁场分量HE2所输出的电压信号为零，且对应于在第三方向D3上的外在磁场分量HE3所输出的电压信号为零。因此，无论外在磁场是在哪个方向上，都不会影响本实施例的电流传感器100的感测结果，也就是不会对电流传感器100的输出电压产生干扰。

以上惠斯登电桥对于外在磁场分量HE1、HE2及HE3的反应是以第二时间之后的反应为例，至于在第一时间之后，即在第一磁化方向设定元件M1与第二磁化方向设定元件M2在第一时间完成如图4A的磁化方向M13、M24、M57、M68的设定之后，第一至第八异向性磁电阻R1～R8反应于外在磁场分量HE1所产生的电阻值变化分别为-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR及+ΔR，如此一来，当接点P3接收参考电压VDD，而接点P4与接点P5耦接至地时，此时形成的惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差会为零。而对于外在磁场分量HE2与HE3，第一至第八异向性磁电阻R1～R8不会受到它们的影响，因此不会产生电阻值变化，因此惠斯登电桥中接点P1与接点P2之间的电压差仍会为零。所以，无论是在第一时间或第二时间之后，本实施例的电流传感器100皆不会受到任何方向的外在磁场的干扰。

此外，基板210中或基板210上也可设有反馈线圈(feedback coil)，其与第一至第八异向性磁电阻R1～R8至少部分重叠，以作为闭回路控制(close-loop control)的用途。

综上所述，在本发明的实施例的电流传感器中，由于采用了异向性磁电阻单元连接成惠斯登电桥来感测导线中的电流所产生的磁场，因此对电流的感测具有高敏感度与高准确度。此外，由于本发明的实施例的电流传感器是利用感测电流所产生的磁场的方式来反推电流的大小，而异向性磁电阻单元不会直接接触到电流，因此可以具有较低的功耗。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种电流传感器，包括：

基板；

导线，具有第一导电段与第二导电段，其中所述第一导电段与所述第二导电段排列于第一方向上，各自沿着第二方向延伸，且分别配置于所述基板的相对的第一端与第二端下方；

第一异向性磁电阻单元与第二异向性磁电阻单元，配置于所述基板的所述第一端上方，且沿着所述第一方向排列；

第三异向性磁电阻单元与第四异向性磁电阻单元，配置于所述基板的所述第二端上方，且沿着所述第一方向的反方向排列；

第一磁化方向设定元件，用以设定所述第一异向性磁电阻单元与所述第二异向性磁电阻单元的磁化方向；以及

第二磁化方向设定元件，用以设定所述第三异向性磁电阻单元与所述第四异向性磁电阻单元的磁化方向，

其中，当电流流经所述导线时，因感应于所述电流所产生的磁场，所述第一异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化相反于所述第二异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化，且所述第三异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化相反于所述第四异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化，且所述第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元电性连接成惠斯登电桥，以输出对应于所述第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元所产生的电阻值变化的电压信号。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，还包括运算器，电性连接至所述惠斯登电桥的输出端，其中所述第一磁化方向设定元件与所述第二磁化方向设定元件将所述第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元的磁化方向组合设定为第一组合，以使所述惠斯登电桥之后输出第一电压信号，且所述第一磁化方向设定元件与所述第二磁化方向设定元件再将所述第一、第二、第三及第四异向性磁电阻单元的磁化方向组合设定为相反于所述第一组合的第二组合，以使所述惠斯登电桥之后输出第二电压信号，所述运算器用以将所述第一电压信号与所述第二电压信号相减，以输出对应于所述电流所产生的所述磁场的大小的输出电压信号。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中所述运算器用以将所述第一电压信号与所述第二电压信号相加，以输出偏移电压信号。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其中当所述电流流经所述导线时，所述电流在所述第一导电段中的流向相反于在所述第二导电段中的流向。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

6.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述电流流经所述第一导电段时在所述第一异向性磁电阻单元与所述第二异向性磁电阻单元处所产生的磁场在所述第一方向上的分量的方向相反于所述电流流经所述第二导电段时在所述第三异向性磁电阻单元与所述第四异向性磁电阻单元处所产生的磁场在所述第一方向上的分量的方向。

7.根据权利要求6所述的电流传感器，其中所述惠斯登电桥对应于在所述第一方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，对应于在所述第二方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，且对应于在第三方向上的外在磁场分量所输出的电压信号为零，其中所述第三方向垂直于所述第一方向与所述第二方向。

8.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述第一异向性磁电阻单元包括沿着所述第二方向的反方向依序排列的第一异向性磁电阻与第二异向性磁电阻，所述第二异向性磁电阻单元包括沿着所述第二方向的反方向依序排列的第三异向性磁电阻与第四异向性磁电阻，所述第三异向性磁电阻单元包括沿着所述第二方向的反方向依序排列的第五异向性磁电阻与第六异向性磁电阻，且所述第四异向性磁电阻单元包括沿着所述第二方向的反方向依序排列的第七异向性磁电阻与第八异向性磁电阻。

9.根据权利要求8所述的电流传感器，其中在第一时间，所述第一磁化方向设定元件将所述第一异向性磁电阻与所述第三异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向的反方向，且将所述第二异向性磁电阻与所述第四异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向；在所述第一时间，所述第二磁化方向设定元件将所述第五异向性磁电阻与所述第七异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向的反方向，且将所述第六异向性磁电阻与所述第八异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向；在第二时间，所述第一磁化方向设定元件将所述第一异向性磁电阻与所述第三异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向，且将所述第二异向性磁电阻与所述第四异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向的反方向；在所述第二时间，所述第二磁化方向设定元件将所述第五异向性磁电阻与所述第七异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向，且将所述第六异向性磁电阻与所述第八异向性磁电阻的磁化方向设定为所述第二方向的反方向。

10.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述第一磁化方向设定元件与所述第二磁化方向设定元件为导电片、导电线圈、导线或导体。