[发明专利]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

说明书

背景技术

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’s of％)的高磁阻率(即，(R_max-R_min)/R_min＝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。

发明内容

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发明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是根据本发明的多层磁阻传感器、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是根据本发明的磁性隧道结、电接触(electrical contact)、第一驱动带和第二驱动带的一个实施例的框图；

图2B是根据本发明的巨磁阻器、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是根据本发明的用于测量图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是根据本发明的用于测量图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是根据本发明的包括图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发明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是根据本发明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是根据本发明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(bulk level)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ΔR/R。巨磁阻器有利地提供大约百分之十(10’s of％)的更高磁阻率ΔR/R。磁性隧道结(MTJ)提供甚至大约百分之百(100’s of％)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)。