基于三维感应线圈的新型MEMS电流传感器*

李 斌， 彭春荣， 凌必赟， 储昭志， 张洲威， 夏善红

( 1.中国科学院电子学研究所，北京 100190； 2中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

目前，智能电网技术快速发展，已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题。在电力系统中，各类电信号的量测技术及其传感器是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础。电流信号量测的准确性和可靠性是电能计量和继电保护、电力系统监测诊断与故障分析、控制分析和决策中的关键技术[1～6]。配电网作为电力网中起重要分配电能作用的网络，是国民经济和社会发展的重要公共基础设施。在配电网中，传统的电磁式互感器[7～9]测量范围较小，当被用于测量较大的电流时易出现磁芯磁饱和现象,此外该类互感器体积大、质量重、安装结构复杂且成本高，在变电站和用户终端间的架空线路中难以覆盖使用。因此，为了实现电流传感器在配电网中的覆盖使用，电流传感器的小型化、低成本、性能可靠和易安装维护的研究显得至关重要。

根据结构和测量原理不同电流传感器可分为磁阻电流传感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器和感应线圈电流传感器等。这些电流传感器均通过测量电流源周围的磁场进而确定被测电流的大小，其中，感应线圈凭借其线性度好、无源测量、结构简单、成本低和能耗低的优势成为当前研究的热点[10,11]。与传统的传感器相比，微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)传感器具有测量精度高、体积小、重量轻、功耗低、成本低廉、有利于批量化生产等优点。2012年，Chen Y C等人[12～14]基于平面感应线圈，利用微加工工艺，在柔性衬底上生成了一种用于家用电线信号检测的MEMS电流传感器，不过由于架空线路(单线)附近的磁场分布和家用电线(双线)的磁场分布有很大不同，平面感应线圈无法应用于配电网中。

本文针对配电网输电线路，基于三维感应线圈，提出了一种新型MEMS电流传感器。该传感器以玻璃为衬底，以聚酰亚胺为其线圈的支撑和绝缘结构，通过溅射、光刻、电镀、抛光等微加工工艺在衬底上制作出三维线圈。该传感器具有功耗低，线性度好、质量轻和结构简单等优点，可通过U型装置固定在被测导线周围，安装方便。

1 传感器设计

设计的新型MEMS电流传感器如图1所示，由三维感应线圈、焊盘、支撑层和玻璃衬底组成，其中，三维感应线圈和焊盘通过溅射、光刻、电镀、抛光等微加工工艺生成在玻璃衬底上。传感器利用聚酰亚胺作为支撑和绝缘层，性能稳定可靠。传感器可通过U型装置安装在传输导线的周围，U型装置的高低可以调节传感器与被测导线间的距离，操作简单方便。

图1 电流传感器结构示意

MEMS电流传感器工作原理图如图2所示，通过检测三维感应线圈两端的感应电动势，反推出传输导线中的电流大小。

图2 电流传感器工作原理

(1)

式中Vin为感应线圈两端的感应电压，Φ为通过感应线圈内部的磁通量，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，A为线圈截面积。从式(1)可以看出，通过增加三维感应线圈中线圈匝数、截面积以及减小三维感应线圈与传输导线间的距离可提高传感器的灵敏度。本文设计电流传感器中线圈匝数为120，线圈宽度和间距都为50 μm，线圈截面积为10 mm×0.1 mm，整个传感器在大小为1.5 cm×1.5 cm的玻璃衬底上的上表面生成。

图3 单相输电线路周围磁场随距离变化

2 传感器制作工艺

电流传感器的制作流程图如图4所示，具体的工艺流程为：a.清洗玻璃衬底；b.在衬底正表面溅射厚度为50 nm/200 nm的 Cr/Cu种子层；c.在种子层表面甩一层约5 μm厚的正胶AZ4620，经烘胶、曝光、显影，得到底层感应线圈的模子；d.利用电镀工艺电镀厚度5 μm左右的铜，通过浸泡丙酮将光刻胶去掉，得到底层感应线圈；e.在底层感应线圈表面再甩一层30 μm的正胶AZ4903，然后烘胶、曝光、显影；f.利用电镀工艺在底层感应线圈的两端电镀约30 μm的铜；g.借助丙酮去掉光刻胶，用干法刻蚀掉种子层，形成感应线圈的引脚层；h.甩聚酰亚胺，固化，使其高度高于感应线圈的引脚层；i.利用不同型号(由低到高)的砂纸对聚酰亚胺进行抛光，看到引脚层出现后再进行机械抛光，使其表面平整；j.和制作底层线圈类似，溅射厚度为50 nm/200 nm的Cr/Cu种子层，进行最后一次甩胶(5 μm的正胶AZ4620)、烘胶、曝光、显影；k.利用电镀工艺在种子层电镀厚度为5 μm的金属铜；l.通过丙酮去掉光刻胶，利用干法刻蚀掉种子层，形成顶层感应线圈，最终得到新型MEMS电流传感器，该传感器工艺简单且成本低廉，可批量化生产，与IC工艺相兼容。

图4 MEMS电流传感器制作工艺流程

图5为研制的MEMS电流传感器的实物图，大小为1.5 cm×1.5 cm，两个焊盘间的电阻值为280 Ω。

图5 MEMS电流传感器实物

3 传感器性能测试

通过理论计算可知，该电流传感器两端的输出信号为微伏(μV)级，且被测信号为工频信号，噪声干扰较大，信号检测前需要对其进行放大、滤波处理。本文设计的硬件电路框图如图6所示，首先采用低噪声的差分放大芯片AD620对信号进行一级放大处理，然后借助运放AD8626进行二级放大，同时进行二阶低通滤波处理，最后通过示波器对信号进行数据采集。

图6 硬件电路框图

本文实验测试的系统框图如图7所示，将传感器固定在被测导线表面，传感器两端的输出信号经过硬件电路处理后，通过示波器显示出来。其中,本实验选用日本YOKOGAWA公司生产的2558A高精度电源作为电流源；示波器为美国Agilent公司生产的MS09104A型示波器。

图7 系统测试框图

由图8实验结果可以看出:在距离固定的情况下，电流传感器两端输出的电压信号与传输线路中的电流成线性关系，线性度为0.58 %。当被测电流为60 A时，测试系统的输出信号为563 mV。该传感器采用空心感应线圈，不存在磁饱和现象，因此可以用于测试电流值更大的信号。

图8 MEMS电流传感器输出电压与导线电流关系

4 结 论

基于三维感应线圈，研制了一种面向配电网应用的新型MEMS电流传感器。经实验测试结果表明：电流传感器两端输出的电压信号与传输线路中的电流成线性关系，其线性度为0.56 %。接下来将在电网合作单位对传感器进行大电流性能测试。实际应用时，考虑到电压测量安全距离，该传感器的输出信号可通过无线传输模块传输到地面进行处理。