使用单个磁阻传感器确定磁场的面内磁场分量的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及使用单个磁阻传感器确定磁场的面内磁场分量的装置和方法。提供了一种用于测量在平面内的所施加的磁场的方法。该方法包括同时分别施加第一和第二交变驱动电流到覆盖磁阻传感器的第一和第二带，以使磁阻传感器经受在磁阻传感器的平面内旋转的周期性旋转磁驱动场。当所施加的待测磁场被叠加于在平面内旋转的周期性旋转磁驱动场上时，该方法包括提取从磁阻传感器输出的输出电压的二次谐波分量。待测磁场在平面内的幅度与所提取的输出电压的二次谐波分量的幅值成比例。待测磁场在平面内的方向与所提取的输出电压的二次谐波分量的相位角有关。

【技术实现步骤摘要】
用单个磁阻传感器确定磁场的面内磁场分量的装置和方法
技术介绍
所期望的是，使用在相同衬底上成批制造的设备在不需要锯割和封装的情况下就能够感测平面场的两个分量。当前可用的技术是通过在相邻的隧道结上使正交的铁磁钉扎（pinned）层/参考层（PL/RL）磁化方向退火（annealing-in）来解决这个问题的。磁性隧道结具有大约百分之百（100’sof%）的高磁阻率（即，（Rmax-Rmin）/Rmin=ΔR/R），而且当前被用于测量中到高水平的磁场。磁性隧道结还具有高1/f噪声。低频的高噪声密度阻碍了将磁性隧道结用于测量在低于kHz级别的频率处的低水平磁场。
技术实现思路
本申请涉及用于测量在平面内的所施加的磁场的方法。本方法包括施加第一交变驱动电流到第一带。第一带的至少一部分覆盖磁阻传感器。第一带具有在第一方向延伸的尺寸。本方法还包括同时施加第二交变驱动电流到第二带。第二带的至少一部分覆盖第一带的至少一部分。第二带具有在第二方向延伸的尺寸。第二方向不平行于第一方向，并且第二交变驱动电流相对于第一交变驱动电流异相，这样磁阻传感器经受在磁阻传感器的平面内旋转的周期性地旋转的磁驱动场。当所施加的待测磁场被叠加于在平面内旋转的周期性旋转磁驱动场时，本方法进一步包括提取从磁阻传感器输出的输出电压的二次谐波分量。待测磁场在平面内的幅度与所提取的输出电压的二次谐波分量的幅值成比例。待测磁场在平面内的方向与所提取的输出电压的二次谐波分量的相位角有关。在下面的附图和描述中阐述了要求保护的专利技术的各种实施例的细节。根据描述、附图和权利要求，其他特征和优点将显而易见。附图说明图1A是根据本专利技术的多层磁阻传感器、第一驱动带和第二驱动带的一个实施例的框图；图1B示出在图1A的磁阻传感器的X-Y平面内以一角频率周期性旋转的磁驱动场；图2A是根据本专利技术的磁性隧道结、电接触（electricalcontact）、第一驱动带和第二驱动带的一个实施例的框图；图2B是根据本专利技术的巨磁阻器、电接触、第一驱动带和第二驱动带的一个实施例的框图；图3A是根据本专利技术的用于测量图2A的磁性隧道结的输出电压的电路的一个实施例的框图；图3B是根据本专利技术的用于测量图2B的巨磁阻器的输出电压的电路的一个实施例的框图；图4A和4B是根据本专利技术的包括图1A的磁阻传感器的磁阻传感器系统的实施例的框图；图5A和5B示出被施加到根据本专利技术的示例性磁阻传感器的不同的所施加磁场的模拟输出；图6是根据本专利技术的包括磁阻传感器的磁阻传感器系统的实施例的框图；图7示出具有经调整（tailored）波形的驱动电流的实施例；图8是根据本专利技术的用于测量在平面内的所施加的磁场的方法的一个实施例的流程图。在各附图中，同样的数字和名称指示同样的部件。具体实施方式磁阻（MR）传感器用于磁罗盘、磁异常检测、轮齿感测等，即可用在其中必须感测磁场的微小值、或地磁场的微小变化的任何应用中。磁通门和超导量子干涉设备（SQUID）是能够测量磁场的微小值或磁场中微小变化的大体积（bulklevel）磁传感器。芯片级磁阻传感器可以以低成本制造并且因此比大体积磁阻传感器有优势。各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和磁性隧道结（MTJ）传感器在芯片级制造。GMR和MTJ叠层包括其磁化方向可改变的铁磁自由层、具有固定磁化方向的铁磁参考层、以及位于它们之间的阻挡层。各向异性磁阻器（AMR）具有大约为2-3%的磁阻率△R/R。巨磁阻器有利地提供大约百分之十（10’sof%）的更高磁阻率△R/R。磁性隧道结（MTJ）提供甚至大约百分之百（100’sof%）的更高的磁阻（MR）率。芯片级GMR或MTJ传感器的另一个优点是它们的小尺寸。例如，多层磁阻传感器（GMR或MTJ）可具有大约几十至几百纳米的尺寸。因此，覆盖100-150nm宽的MTJ的200nm宽的金属线具有32μAmp/Oe的“场转换因子”，并且微米宽的线具有159μAmp/Oe的场转换因子。因此，可以通过施加适度的电流至这样的传感器来产生用于使被适当构建的多层磁阻传感器的自由层开关、旋转或饱和所需的场，所述传感器使用消耗适度功耗的较简单专用集成电路（ASIC）。然而，多层磁阻（GMR或MTJ）传感器的噪声功率谱密度（包括1/f和巴克豪森噪声分量）高于AMR传感器的噪声功率谱密度。对于发生在低频率处的磁性变化，1/f噪声起主要作用，因此多层磁阻传感器的较高磁阻率并未转化成相应较高的信噪比。为了使多层磁阻传感器的高磁阻率转化成低的最小可检测场（mdf）或噪声等效场分辨率（noiseequivalentfieldresolution），提高信噪（SN）比是必要的。在高于1/f噪声与频率关系图的拐点的频率处，信噪（SN）比增加。改进多层磁阻传感器的信噪比并使用单个多层磁阻传感器来测量磁场的面内磁场分量的系统和方法的实施例被描述。如在此被定义的那样，“磁场在平面内的磁场分量”是磁场向在平面内扩展的基向量（平面的坐标轴）上的投影。例如，磁场在X-Y平面内的磁场分量是磁场向X轴和Y轴上的投影。正如在此被定义的那样，“在X-Y平面内所施加的磁场”是被投影到X-Y平面上的所施加的磁场。术语“X-Y平面”、“平面场”和“所选平面”在此被可互换地使用。磁场的面内磁场分量提供磁场在所选平面内的方向和幅度。尤其是，磁场的X-分量和Y-投影提供表示磁场在所选平面内的方向和幅度的信息。此处所述的传感器系统利用磁性隧道结和/或巨磁阻器的独特属性，这些属性以高分辨率实现低成本和低功耗。在此使用的术语多层磁阻（MR）传感器既指磁性隧道结传感器又指巨磁阻器传感器，其具有比AMR传感器更大的磁阻率。此处所述的磁阻传感器系统不同于现有技术之处在于：面内施加的磁场的方向和幅度是使用单个隧道结测量的，其中可以使用对于晶圆上全部隧道结而言的正交PL/RL磁化方向的相同退火来在晶圆上制造该单个隧道结。因此，此处所述的隧道结不需要像现有技术中那样创建钉扎层/参考层磁化的正交方向。正如在这里被定义的那样，“所施加的磁场”是从磁阻传感器系统外部的源入射在（被施加到）磁阻传感器上的磁场。在此处所述的磁阻传感器系统中，周期性旋转的磁驱动场是在磁阻传感器的自由层中被产生的。周期性旋转的磁驱动场大到足以使自由层饱和且小到足以使磁阻传感器的合成反铁磁体大体上不受影响。因此，自由层按照旋转磁驱动场的周期旋转。在存在另外的外部直流（或低频）场的情况下，磁阻传感器的传感器输出形成了使用相敏检测技术检测到的二次谐波分量。二次谐波分量的幅值和相位角分别是外部场的幅度和方向的函数，从而允许确定面内场的两个分量。检测电路可以在传感器芯片外部，或可以使用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺与MTJ集成在硅上。图1A是根据本专利技术的多层磁阻（MR）传感器10、第一驱动带71和第二驱动带72的一个实施例的框图。第一驱动带71（在此也被称作第一带71）的至少一部分65覆盖磁阻传感器（MS）10以载送第一交变驱动电流。第一驱动带71具有在第一方向延伸的尺寸。如图1A所示，第一方向平行于X轴。第二驱动带72（在此也被称作第二带72）的至少一部分66覆盖磁阻传感器10和第一驱动带71的部分65，以载送第二交变驱动电流。第二驱动带72具有在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量平面(X?Y)内的所施加的磁场(450)的方法，该方法包括：施加第一交变驱动电流(431)到第一带(71)，其中第一带的至少一部分(65)覆盖磁阻传感器(10)，第一带具有在第一方向(X)延伸的尺寸；同时施加第二交变驱动电流(432)到第二带(72)，其中第二带的至少一部分(66)覆盖第一带的至少一部分，第二带具有在第二方向(Y)延伸的尺寸，第二方向不平行于第一方向，且第二交变驱动电流相对于第一交变驱动电流是异相的，其中磁阻传感器经受在磁阻传感器中的平面内旋转的周期性旋转磁驱动场(440)；以及当所施加的待测磁场被叠加于在平面内旋转的周期性旋转磁驱动场时，提取从磁阻传感器输出的输出电压(Vout)的二次谐波分量，其中所施加的待测磁场在平面内的幅度与所提取的输出电压的二次谐波分量的幅值(|Happlied|)成比例，且其中所施加的待测磁场在平面内的方向(φ)与所提取的输出电压的二次谐波分量的相位角有关。

【技术特征摘要】
2011.11.04 US 13/289,8041.一种用于测量平面（X-Y）内的所施加的磁场（450）的方法，该方法包括：施加第一交变驱动电流（431）到第一驱动带（71），其中第一驱动带的至少一部分（65）覆盖磁阻传感器（10），第一驱动带具有在第一方向（X）延伸的尺寸；同时施加第二交变驱动电流（432）到第二驱动带（72），其中第二驱动带的至少一部分（66）覆盖第一驱动带的至少一部分，第二驱动带具有在第二方向（Y）延伸的尺寸，第二方向不平行于第一方向，且第二交变驱动电流相对于第一交变驱动电流是异相的，其中磁阻传感器经受在磁阻传感器中的平面内旋转的周期性旋转磁驱动场（440）；以及当所施加的待测磁场被叠加于在平面内旋转的周期性旋转磁驱动场时，提取从磁阻传感器输出的输出电压（Vout）的二次谐波分量，其中所施加的待测磁场在平面内的幅度与所提取的输出电压的二次谐波分量的幅值（|Happlied|）成比例，且其中所施加的待测磁场在平面内的方向（φ）与所提取的输出电压的二次谐波分量的相位角有关。2.如权利要求1的方法，进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·B·潘特，L·维塔纳瓦萨姆，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：