磁场感测器件制造技术

一种用于确定磁场强度的磁场感测器件，包括被配置成电桥（２００）的四个磁隧道结元件或者元件阵列（１００）。电流源耦合到设置在四个磁隧道结元件（１００）中的每个附近的电流线路（１１６），用于选择性地提供在时间上间隔开的第一和第二电流。耦合到电流源的采样电路（４１２、４１４）在第一和第二电流期间对电桥输出进行采样，并根据第一和第二值的差确定磁场值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及磁场感测器件，更具体地，涉及能够准确地感测小磁场的磁隧道结器件。
技术介绍
传感器广泛地用在现代系统中以测量或检测诸如位置、运动、力、加速度、温度、压力等物理参数。尽管存在用于测量这些和其他参数的多种不同的传感器类型，但是它们均受到各种限制。例如，诸如用在电子罗盘和其他类似的磁感测应用中的廉价的低场传感器通常包括基于各向异性磁电阻(AMR)的器件。为了达到所需的灵敏度和与CMOS配合良好的合理的电阻，这些传感器的感测单元通常在尺寸上在平方毫米量级。此外，典型地需要约 IOmA的来自大线圈的大的重置脉冲。对于移动应用，在费用、电路面积和功耗方面，AMR传感器配置过于昂贵。诸如磁隧道结(MTJ)传感器和巨磁电阻(GMR)传感器的其他类型的传感器已被用于提供较小外形的传感器，但是这些传感器具有它们自身的问题，诸如灵敏度不够以及受温度改变的影响。为了解决这些问题，以惠斯通电桥(Wheatstone bridge)结构使用MTJ、 GMR和AMR传感器以增加灵敏度并消除依赖温度的电阻改变。对于最小的传感器尺寸和成本，MTJ或GMR元件是优选的。作为制造工艺变化的结果，这些低场的基于惠斯通电桥的磁传感器可能呈现小的但是可变的残余失调(residual offset)。温度漂移、机械应力和器件老化可能加剧该失调。此外，传统的磁传感器具有由诸如感测层厚度、形状和通量集中器几何特征的因素而内建到器件中的灵敏度，从而限制了可用范围和线性范围。因此，期望提供一种廉价的低场传感器，其提供用于低场测量的分辨率，是CMOS 兼容的，使失调最小化，并且扩大动态范围。此外，结合附图和本专利技术的背景，通过随后的本专利技术的具体实施方式和所附权利要求，本专利技术的其他期望的特征和特性将变得明显。
技术实现思路
用于确定磁场强度的磁场感测器件包括至少一个感测元件，所述感测元件包括铁磁的感测层并且具有至少一个感测元件输出端子。至少一个电流线路设置在所述至少一个感测元件附近。电流源将可变电流提供给所述至少一个电流线路以调整传感器的灵敏度， 并且测量电路耦合到感测元件输出端子，用于测量对于可变电流的输出并确定磁场强度。磁场感测器件的另一实施例包括被配置为惠斯通电桥的四个磁隧道结元件。电流源耦合到设置在四个磁隧道结感测元件中的每个附近的电流线路，用于有选择地提供在时间上间隔开的第一和第二电流。耦合到电桥输出信号的采样电路在第一和第二电流中的每一个处对电桥信号采样，并且根据第一和第二样本的差来确定磁场值。用于感测磁场的方法包括向电流线路提供第一电流，向电流线路提供第二电流，对于第一和第二电流中的每一个对电桥输出处的值采样，确定所述第一和第二电流期间的输出的采样之间的差，并基于所确定的差确定测量的磁场。 附图说明下面将结合附图描述本专利技术，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且图1是根据示例性实施例的磁隧道结器件的横截面；图2是包括四个图1的磁隧道结器件的惠斯通电桥；图3是图2的惠斯通电桥的灵敏度对稳定电流的曲线图；图4是根据示例性实施例的磁场感测器件的框图；以及图5是图4的示例性实施例的输出信号相对时间的曲线图。具体实施例方式下面的本专利技术的详细描述在本质上仅是示例性的，并非旨在限制本专利技术或者本专利技术的应用和使用。此外，不受前文的背景中呈现的任何理论或者下文的本专利技术的详细描述的约束。小“足印”磁传感器典型地以惠斯通电桥配置布置，其中对于电桥必须维持电路元件的电阻之间的精确平衡以在零磁场中产生最小响应。因制造工艺而出现的任何非零响应 (电桥失调)必须被校准或调零掉，以产生没有错误的信号。这些失调可能响应于温度改变、机械应力或者其他效应而随部件的寿命漂移。在具有1. 0至5. 0mV/V/0e的典型场响应的罗盘应用中，维持小于一度的精度意味着必须移除或校准掉错误信号当中小于10μ V的失调漂移。如这里所述的，这通过设置得与惠斯通电桥的四个铁磁隧道结感测元件中的每个紧邻或邻近的电流承载线路来实现。调整通过该电流承载线路的可变稳定电流改变了对外部磁场的传感器响应。在两个不同的在时间上间隔开的稳定电流值处对传感器输出采样，并且使这两个值彼此相减以减少或消除通过感测元件电阻失衡而出现的失调和Ι/f噪声。在没有磁场的情况下的传感器输出中的失调和变化(Ι/f噪声)可以被视为有效低频信号。当采样电路在高于该不需要的(并且可能是时变的)信号的频率下操作时，通过高灵敏度传感器一起感测磁场的值(强度)以及不期望的低频信号，并且在短时间后通过低灵敏度传感器再次对此两者采样。随后进行的两个值的减法将产生没有直流(DC)和时变失调(Ι/f噪声)的信号，其在采样频率之下的频率处呈现。选择电流值和占空周期以使信噪比最大并且使功耗(电压)需要最小。结合上文概述的技术，或者在单独的DC测量应用中，可能存在如下的场值，对于该场值，对于稳定电流值中的一个或两者传感器响应饱和。在该情况下，可以增加稳定电流以增加感测位的整体Hk并且使传感器响应脱离饱和。控制电路可以检测该饱和条件，应用增加的稳定电流值，并且可以通知后续的下游电路按比例减小灵敏度校准。因此通过调整稳定电流值，较之对于DC或相关双采样(CDQ测量，稳定电流固定于一个或两个值的可能情况，可以提供较大的动态范围而不丧失对于低场响应的分辨率。在另一实施例中，参考层可以由非钉扎的合成反铁磁(SAF)层形成而非由传统的钉扎的SAF参考层形成。该非钉扎的SAF可能遭受来自在感测层上方和下方紧邻地路由的两个正交电流线路的转换(toggle)脉冲序列，以使其方向反转。在该情况下，两个电流线路将被取向为相对于参考层成约45度。第一转换电流脉冲将沿第一电流线路通过，并且与该脉冲重叠地，第二转换电流脉冲将沿第二电流线路通过。第一转换电流脉冲在第二脉冲之前开始，并且第二转换电流脉冲在第一脉冲完成之后结束。结果，传感器参考层在转换脉冲序列之前和之后旋转180度。在两个参考层取向下对传感器输出采样，并且使这两个值彼此相减。在该情况下，第一测量产生具有第一信号值和失调+低频项的电桥响应。随后对于参考层的相反取向再次对响应采样，产生第二信号值和相同的失调+低频项。由于磁隧道结的特质，两个信号值在符号上将是相反的但是幅值相等。于是减法产生了两倍的信号值而失调被移除。参照图1，在电介质材料118中形成示例性磁隧道器件100，并且磁隧道器件100 包括通过隧道阻挡物(barrier) 106分隔的铁磁感测层102和固定铁磁性区104。感测层 102通过通孔(via) 110连接到第一传导线路108，并且固定区104通过通孔114连接到第二传导线路112。电流承载线路116位于传感器层102和固定区104两者附近的磁隧道器件100的相对两侧。电流115的方向通过X表示为进入纸面，并通过点113表示为从纸面出来，但是该方向也可以反转。尽管根据优选实施例电流承载线路116被示出为在感测层 102和固定区104两者附近，但是应当理解，其可以仅位于感测层102和固定区104中的一个附近。在非钉扎的SAF实施例的情况中，电流承载线路可以由不互连的两个垂直线路组成，一个在SAF层上方并且一个在SAF层下方。在该情况下，测量期间的电流将是在如下的方向上流过一个线路的单个值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于感测磁场的传感器，包括：至少一个感测元件，其包括铁磁感测层，并且具有至少一个感测元件输出端子；至少一个电流线路，其邻近所述至少一个感测元件；电流源，其用于将可变电流提供给所述至少一个电流线路以调整所述传感器的灵敏度；以及测量电路，其耦合到所述至少一个感测元件输出端子，用于测量对于所述可变电流的输出并确定所述磁场的强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·G·马泽，
申请(专利权)人：艾沃思宾技术公司，
类型：发明
国别省市：US