CN101031977A - 数字磁流感测器和逻辑 - Google Patents

Abstract

一种用于感测磁场强度的感测器具有感测器元件，以及用于检测该感测器元件的电阻的电平的检测电路，电阻的电平随测试下的磁场变化并具有滞后，这样在电磁激发时电阻可以随着测试下磁场的变化在两个或更多的稳定电平之间转换。感测器根据电阻的电平输出数字信号。感测器输出还可以就电磁激发时的状态变化进一步解释。由于感测器不再需要与磁性存储单元不同的特性，因此与模拟感测器相比，它可以更简单地构造和与磁性存储单元集成。电磁激发信号改变测试下的磁场的阈值，电阻在该阈值转换，以支持利用不同阈值的多种测量。多个感测器元件通过具有不同的几何形状或大小可以具有不同的阈值。当感测多个输入电流时，其在电流感测中，以及可编程磁性逻辑门中有应用。改变阈值可以在AND和OR之间改变逻辑操作。

Description

数字磁流感测器和逻辑

本发明涉及数字磁场感测器，涉及电流感测器，涉及具有这种感测器的磁逻辑电路产品和集成电路，以及涉及制造这种感测器和使用这种感测器的相应方法。

在芯片级系统(SoC)和其它集成电路(IC’s)中提供芯片级电流感测是为公众所知的。这也被称为BICS(内置电流感测器)。在US 5,963,038中已经有所描述，其示出了通过采用设置在导体附近的感测器对流过集成电路中的导体的电流的测量，来检测集成电路中的故障。感测器可以用各种方式来构造，以便测量由流过导体的电流产生的场。公开的例子包括Hall感测器、MR(磁阻)感测器和GMR(巨磁阻)感测器。这可以支持对不能通过外部检测设备简单访问的导体的测试，或者用来检测在平行路径的各单独路径中的错误，其会通过电阻率测试，即使仅仅一个路径是导通的。

MR感测器具有依赖于贯穿感测器平面的外部磁场的电阻。存在不同类型的MR感测器。基于各向异性磁阻(AMR)的感测器已经在磁性记录头中使用几年了。MR感测器具有各向异性磁材料层，且流过该层的电流被外部磁场所影响，其引起了电阻的变化。GMR(巨磁阻)感测器具有固定方向上的磁材料层，以及其磁化方向可以受外部磁场影响的磁材料层，其引起了测量电阻的变化。根据类型和结构，MR感测器在感测器平面的一个方向上更敏感，且在另一个方向上不那么敏感。

当在单材料堆叠中结合感测和存储技术时，必须在两种技术的主要参数之间进行权衡。尽管(模拟)感测器技术的性能被表现为例如线性、范围、灭磁滞等参数，存储技术具有相反的矛盾的要求，例如极其重要的，稳定的磁滞曲线。一种选择是90度地旋转存储元件，以在自由层和硬磁层的优先磁化轴之间形成所谓的交叉各向异性，来线性化感测器特性。然而这种解决方案限于特定传统配置的MRAM堆叠。Motorola已经开发了一种不同的MRAM方案，其特别适于存储技术，但是也不那么适于模拟感测方案。基于这种技术的磁感测器对小的场仅仅产生小的信号，使得实际上仅仅较大的场可以被测量。总的来说，现在存在的问题是，两种技术是否可以一起合并到结合存储和感测功能的单个平台中。

已知对逻辑设备使用磁转换属性。过去已经提出了几种类型的磁性逻辑设备，它们都是基于诸如磁隧道结的MR元件的2D转换属性。然而，所有的选择迄今为止依赖可以包括一个或多个磁隧道结的逻辑设备的状态。逻辑功能可以通过选择的基准被定义，或者通过导出特定的预设状态。这样的例子可以在以下文献中找到，[1]Black等人的Programmable logic using giant-magnetoresistance and spin-dependent tunneling devices，J.Appl.Phys.87，6674-6679(2000)，以及[2]Richter等人的Field programmablespin-logic based on magnetic tunneling elements，J.Magn.Magn.Mater.240，127-129(2002)。提出了分别通过改变MR元件的转换阈值，或者通过组合几个MR元件，来形成可编程的自旋逻辑元件。通过附加的寻址(‘设置’)过程以导出在AND和OR门之间给出选择的预设磁状态，可以进一步将这种功能结合在具有两个独立输入线的单一元件中[Ney等人的Programmable computingwith a single magnetoresistance device，Nature 425，485-87(2003)]。

所有建议的基本限制是设备的转换特性需要被解释，以决定功能性和输出。更特定的，Richter等人使用两种不同的基准电平来在AND和OR功能性之间进行区分，而Ney等人使用不同的预设状态来在状态之间进行区分。采样的磁性历史将定义测量的状态或输出，其可以是高的或低的，例如<1>或<0>。所有的方法都为逻辑变量A和B使用两条输入线。

一个目的是提供改进的装置，特别是感测器，例如数字磁场感测器、电流感测器、具有这种感测器的磁性逻辑门和集成电路，以及制造或操作同样装置的方法。

根据第一方面，本发明提供：

用于感测磁场强度且具有感测器元件的感测器，以及用于检测感测器元件的电阻的检测电路，电阻电平(the level of resistance)随着检测中的磁场而变化，其特征在于：感测器元件的电阻电平的变化具有滞后，使得一旦电磁激发，电阻可以随着检测中的磁场变化在两个或多个稳定电平之间转换，且感测器根据电阻电平而输出数字信号。感测器输出还可以就电磁激发时的状态变化来进行解释。

这种数字感测器具有多种优点。由于它不再需要与磁性存储单元不同的特性，因此与模拟感测器相比，它可以更简单地构造和与存储单元集成。它特别适于例如测试或监测的应用，这里必须知晓测试下的磁场是否超过了给定的阈值。在这种情况下，与模拟感测器相比，输出电路可以被简化为例如比较器和阈值信号，而灵敏的模拟感测器可能要求“复杂”的放大器。在本发明的情况中，MRAM的读出功能可以被再使用，以例如与阈值信号结合的比较器的形式。在MRAM中，专用的基准可以从与存储单元相同的一组基准单元引出。

作为另一可选的特征，该感测器具有在感测之前初始化电阻电平的电路，该感测器具有用于提供至少一个电磁激发信号给感测器元件的电路，或者该感测器具有用于改变测试下的磁场的阈值的装置，在该阈值电阻进行转换。这可以被用来提高测量精度。这可以通过一系列利用不同阈值的测量，或者通过具有多个感测器元件而获得，该多个感测器元件例如通过具有不同的几何形状或尺寸而对于测试下的磁场具有不同的阈值。该感测器可以具有用于在上转换或下转换电平的磁性激发的不同模式之间进行模式选择和变化的电路。这涉及包括模式选择的MRAM，其是极性相关的且因而基于感测器的状态。可选地，感测器可以具有为上转换或下转换电平提供相同的电磁激发的电路，其涉及切换(toggle)概念，其中没有极性相关。感测器可以被配置用于检测场的极性。它可以被配置为如果磁场超过阈值则进行转换，或者如果磁场在阈值下则进行转换。它也可以被配置为比较电阻电平和电阻的在前电平，并根据该比较输出电子信号。它还可以被配置为比较测试下的磁场的阈值和在前阈值，并根据该比较输出电子信号。在这个例子中，感测器通过比较阈值和在前值来跟踪测试下的磁场，并给出逻辑输出以增加/减小磁场。

本发明的另一方面提供：

具有以上所述的磁场感测器以及任意优选的特征的电流感测器，其中电流生成测试下的磁场。

本发明的另一方面提供：

具有磁场感测器或电流感测器的集成电路。另外，该集成电路可以具有磁性存储元件。这些可以具有与感测器元件相同的配置。

本发明的另一方面提供：

具有两个或多个输入导体的磁性逻辑电路，用于传送表示逻辑输入的电流，且具有用于感测电流的上述电流感测器，感测器的输出值表示对输入进行的逻辑操作的结果。根据本发明，所述感测器或逻辑门测量在触发时状态中的变化。感测器的输出就电磁激发时的状态变化进行解释。

这可以产生能够被更简单地制造的逻辑电路，例如如果它们可以共享与磁性存储器相同的结构。原则上，可以使用任意类型的磁性感测器元件配置。

作为另一特征，感测器具有用于提供电磁激发信号的电路。这为数字感测器提供了测试下的磁场的(后台)磁场电平，该(后台)磁场电平由输入导体引起或者是后台磁场的电平，该磁场电平可以直接与产生转换的测试下的总磁场的阈值相关。通过变化磁场电平的电平，逻辑操作的类型可以在AND和OR类型操作或二者的组合之间变化。这可以允许场中的可以在运行时间被编程的可编程逻辑电路，而无需遭遇由于需要导出预设状态而导致的现有技术设备的延迟。同样，不需要为用于不同逻辑操作的每个电路提供不同的基准电平的额外复杂性。这可以允许更简单、更快速的可编程逻辑，其可以具有广泛的应用。所述电路可以是集成电路，且可以包括磁性存储元件。感测器元件还可以被配置为Savchenko类型或切换(toggle)类型的MRAM单元，如从US-6545906得知的。这样的优点是可以应用相同的激发脉冲以在高和低状态之间转换。不再需要传统MRAM类型单元所需要的双向性。因此可以生成这些脉冲的电路可以更简单。

本发明的其它方面包括制造这种感测器或电路的相应方法，以及感应的方法。

附图说明

现在将参考附加的示意图来描述本发明是如何付诸实施的。明显地，可以不脱离本发明的精神来进行多种变化和修改。因此，应当清楚理解的是，本发明的实施例仅仅是说明性的，并不意味着限制权利要求的范围。

通过参考举例示出本发明优选实施例的附图，本发明的特征会更好理解。在附图中：

图1示出了根据实施例的数字磁性感测器的示意性表示，

图2示出了传统MRAM，

图3示出了传统MRAM的特性和操作，

图4示出了根据实施例的数字磁性感测器，

图5示出了根据实施例的数字磁性感测器的测量过程，

图6示出了根据实施例的感测器的特性和操作的图，

图7示出了根据实施例的感测器的模式转换的例子，

图8示出了根据实施例的另一例子，其中测试下的电流被定向来影响难轴磁场，

图9、10和11示出了利用许多不同电平的激发脉冲来给出测试下的磁场的不同转换阈值的测量过程的图，

图12示出了磁性逻辑的操作的图，以及

图13示出了根据实施例的数字磁性感测器。

将相对于特定实施例和参考某些附图来描述本发明，但是本发明并不限于此，而仅仅是通过权利要求限制的。描述的附图仅仅是示意性的，且并不是限制性的。在附图中，某些元件的尺寸可以被放大，为了说明性的目的不按比例绘制。在涉及单数名词而使用不定冠词或定冠词的地方，例如“一个”或“一”，“该”，除非某些特别规定的情况其也包括该名词的复数。

在权利要求中使用的术语“包括”不应该被解释为限制此后列出的装置；它并不排除其它的元件或步骤。因此，“设备包括装置A和B”的表达范围不应该限制为设备仅仅由组件A和B组成。这意味着相对于本发明，设备的相关组件仅仅是A和B。

此外，在说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等被用来在相似的元件之间区分，且不需要描述顺序的或编年的次序。要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够以这里所描述或说明的以外的其它序列来操作。

此外，在说明书和权利更求中的术语顶部、底部、上面、下面等被用于描述性的目的，并不必需描述相关位置。要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够在这里所描述或说明的以外的其它方向上来操作。

为了引入对本发明实施例的描述，将解释某些操作原理和已知原理。第一解决方案涉及增加数字磁场感测器到MRAM存储技术。数字磁场感测器与电子触发器是可比较的。换句话说，公开了“磁性”触发器。一个有用的应用是在IC(集成电路)测试领域，其中需要感测器技术来用于电源引脚(power-pin)测试。在当前IC中，多个平行电源连接被制造到芯片。然而，由于并行性，故障连接不能以简单的方式被检测出。进行电源引脚测试的直接方式是健壮IC测试的使动器。这里提出的数字感测器能够检测是否出现了特定的电流电平。感测器原理是基于这样的事实，也就是当“触发器”被触发时，由测试下的电流线产生的(额外)磁场能够在数字磁性感测器的状态是否变化之间判别。换句话说，可能检测到或检测不到状态的变化。

这种数字感测器技术因此完全与可能开发的任何MRAM技术兼容，使得在任意IC中数字磁性感测器可以与MRAM技术集成。这里不需要由于额外处理步骤或额外屏蔽而产生的额外消耗。单一的磁性堆叠沉积可以被用于构图存储单元，以及数字磁性感测器。此外，所有需要的电子电路可以与读取和写入MRAM单元所使用的那种相同，这样设计工作中不需要附加负担。最后但并非最不重要的，该新的功能可以与现有的边界扫描测试技术一起实施，或者是在内置自测(BIST)中实施。

附图1示出了根据本发明的实施例的数字磁性感测器的示意性表示。在主模块中，将测试下的电流I_test与电磁激发信号“比较”。例如选择激发电流I_exc。根据信号I_test和I_exc，数字电磁感测器的状态S可以被改变为补充状态(S’表示新状态)。在激发操作后，数字感测器的状态可以被测试，以给出逻辑输出。

附图2，3：传统的MRAM写入和读取操作

附图2示出了1T-1MTJ MRAM结构的操作原理(附图2的左手侧的写入操作和右手侧的读取操作)。这种结构和如何制造是已知的，且不需要再详细描述。概括说来，这种基于TMR的MRAM包含是磁性隧道结(MTJ)的单元。MTJ基本上包括自由磁层20、绝缘层(隧道势垒21)、固定(pinned)磁层22和反铁磁层，该反铁磁层用于将固定层22的磁化“固定”为固定的方向。磁性隧道结具有两种稳定的磁化状态，其可以利用位线23和字线24的阵列寻址。在零磁场，稳定的磁化状态，即自由存储层20相对于基准层22的平行和反平行定位，在电阻中具有很大的不同。通过串联晶体管25完成读取，以避免流过存储器矩阵中的其它元件的寄生电流。在写入操作期间，在由位线23和字线24中的电流生成的局部磁场中可以变化位状态。注意，两种磁场组件被用来在选择位和其它元件之间区分。

如附图3(左上)所示，元件的转换曲线可以由其所谓的星形曲线来表示。星形曲线明显地分离了转换和非转换事件。换句话说，如果场被应用在星形中，元件将不转换且保持其磁化状态，反之如果前一个状态是相反的超过星形的场会转换该元件。因此，如果仅仅出现了两种磁场组件，则位状态可以被转换。

附图3还示出了传统MRAM的写入和读取策略，其中信息被存储在软磁层的磁化方向中。在写操作中，在如软磁层20的星形曲线所表示的重合电流方案中提供了位可寻址性。信息由电阻读取，其主要比较软磁层20和硬磁层或基准层22的磁化状态。

附图4、5：根据本发明的实施例的数字磁性感测器操作

根据本发明的实施例的数字磁性感测器可以基于与MRAM阵列中使用的那些相同的磁性设备。磁性感测器因此是非常小的，且可以测量在芯片上的最小线中的电流的出现，如附图4所示。附图4的左手侧示出了感测器激发，且附图4的右手侧示出了感测器读取操作。磁性感测器是由单元上的类似写的操作激活的，由此通过在感测器激发期间的局部磁场的出现而激活。成功的写操作可以表示由测试下的电流线41中的电流产生的额外磁场出现了，或者，表示这种电流没有出现。数字磁性感测器的状态是从磁性元件40中的磁化状态读取的。该读操作等同于MRAM技术的任意读操作。然而注意，表示逻辑0和1值的测量电压可以取决于可能出现的额外磁场。专用的基准元件或电路可以用来将数字磁性感测器的磁性元件40的状态与基准相比较。附图5的示意图给出了测量过程的例子的概述。在步骤400首先测量数字感测器的初始状态。如果需要，在步骤410感测器被初始化。这可以包含完整的写过程。在步骤420，通过发送电磁激发信号到感测器元件而启动读取。在步骤430，通过读取电阻来测量感测器的状态。在步骤440，与前一状态进行比较来知晓它是否已经变化或切换(toggle)。在步骤450，逻辑输出取决于比较器的输出。

现在描述不同的实施例。第一实施例具有数字磁性感测器，其包括与MRAM存储单元相同的单个磁性元件40，该单个磁性元件40包括相对于位线23和字线24的位置。换句话说，磁性感测器本质上与存储阵列的单个单元相同。另外，根据测试下的电流线41是否传送了电流，额外磁场可以在位于例如金属层的不同导电层中的测试下的电流线41中生成。理想地，选择相邻于用于存储阵列的导电层的导电层，即连接数字磁性感测器的位线23和字线24的金属层。

可以使用两种操作模式：(1)加法模式，当来自测试下的电流线41中的电流的额外磁场出现时，数字感测器中的单元可以改变其状态，或者(2)减法模式，当来自测试下的电流线41中的电流的额外磁场出现时，数字感测器中的单元不能改变其状态。术语加法和减法涉及如下事实，根据表示的两种场的标记，沿着一个场分量磁场被相加或相减。两种模式的组合可以在最后电路中被实施。下文给出更详细的说明。

实施例2：第二实施例描述了一种数字磁性感测器，其包括与MRAM存储单元相同的单个磁性元件。然而，与实施例1相反，测试下的电流被提供在位线23或字线24中。如果两种场分量都出现了，其中一个是由测试下的电流生成的，则数字感测器的状态可以被改变。对于细节，参见下面的描述。

测量过程：MRAM设备可以在大约几毫微秒中被转换。因此，激发脉冲的预期脉冲持续时间与MRAM操作相同。测量过程包括不同的步骤。首先，读取数字感测器的状态，其产生了逻辑值0或1。其后是，利用一个或多个激发脉冲(通常是电流)对该数字感测器的电磁激发。注意，激发脉冲的振幅和方向可以是数字感测器的原始逻辑状态的结果，主要是转换曲线中的对称的结果。在另一个实施例中，数字感测器的初始状态可以被设置在优选方向上，然而当静态场在写操作期间出现时该设置不是毫无价值的。在激发之后，再次读取数字感测器的状态。完整组合块(complete building block)的输出是表示测试下的电流是否出现的逻辑值0/1。

对该方案的许多变化都包括在本发明的范围中。一些例子如下：

(1)与MRAM阵列中的单元相比，数字感测器中的单元可以具有不同的几何形状或尺寸，以使它们适于测量特定的电流电平。此外，这允许对一个IC上的不同电流电平的测量。

(2)单一数字磁性感测器模块可以包括若干磁性单元，这些磁性单元可以相互之间不相同，以便增强操作的正确性，或者能够在不同电平之间进行区分。

(3)测量过程可以更加复杂，例如考虑在对于测试下的电流线41中的电流出现与否做出判断之前进行多次激发和读取操作。

(4)到现在已经描述了能够检测有没有电流的磁性数字感测器。合理的直接扩展是包括对具有固定振幅但极性改变的电流的迹象的检测。

(5)测试下的电流线41可以沿着位线23或字线24定位，但是也可以在45度方向上(进一步看，仅仅对于实施例1)。这样可以增强针对传统MRAM单元中的错误的半选的稳定性。注意，这不限制于特定的角度。

附图6：实施例1的详细说明

根据第一实施例，在数字磁性感测器中的磁性单元可以基于传统MRAM存储单元，或者Motorola在US 6545906中介绍的更高级的Savchenko单元。一开始，读取所述单元的状态，例如在平行状态，其类似逻辑-0。注意，读取操作是在额外磁场的可能出现中执行的，该额外磁场是在测试下的电流线41中生成的。然而，当适当设计时，这不会影响读取操作。感测器单元接着受到电磁激发信号，根据使用的技术，其类似于磁性存储单元的标准写操作。在两种技术中，两个场分量以具有特定时序的两种独立电流脉冲的形式提供给存储单元。当激发该数字感测器单元时，这些场分量之一将在与测试下的电流线41中生成的额外场相同的方向上定位(假定电流线41是沿着位线23或字线24定向的)。

现在来解释操作的加法和减法模式。在第一情况(加法模式)中，当所述额外磁场与相应的电磁激发脉冲的总和足够高时，在元件40中有磁性状态的转换。换句话说，仅仅当在测试下的电流线41中出现电流时，才存在转换。在第二模式(减法模式)中，所述额外磁场和相应电磁激发脉冲具有相反的符号，这样只有在缺少额外磁场时才存在转换。当在测试下的电流线41中出现电流时，磁场分量之一太小而不能引起转换。注意，在第一种情况中，系统应该以这样一种方式设计，即两个电流的总和是可靠写操作的目标电流。为了避免严重的半选问题[然而应注意的是，半选问题不是如同MRAM阵列中的数据保持那么严格，此外它不再限制于传统MRAM的45度下的写操作]，产生自测试下的电流线41的判别分量应该大约与理想情况中的加法操作的相应电磁激发脉冲一样大。换句话说，产生自测试下的电流线41的判别分量应该大约是理想情况中的可靠MRAM写操作所要求的整个磁场分量的一半。同样，在操作的第二模式中，产生自测试下的电流线41的判别分量应该是(至少)可靠MRAM写操作所要求的整个磁场分量的一半。注意，加法模式本质上要求电磁激发信号中较低的电流电平，导致了较低的电源消耗。

具有比传统MRAM-类型更好的半选健壮性的改进版本是将测试下的电流线41以相对于存储单元布局45度重新定位，以这样一种方式，使得在加法和减法模式中分别加强或减弱整个电磁激发场。

附图6给出了这个实施例中公开的不同模式的概述。在顶部的第一对图形是用于加法模式，其中测试下的线41分别利用难轴(HA)(附图的左手侧)和易轴(EA)(附图的右手侧)定位。第二对图形是类似的，却是表示用于根据实施例1的数字磁性感测器的操作的减法模式。底部的第三对表示测试下的电流线41在45度的改进版本。虚线60指示为转换需要克服的磁场，是所谓星形曲线的一部分。实线箭头61指示“标准的”MRAM写操作。虚线箭头62指示来自电磁激发信号的磁场分量，而实线箭头63指示可以在测试下的电流线41中生成的额外磁场。在两种模式中，粗虚线箭头64表示激发期间当测试下的线41中没有电流时的合成磁场。粗实线箭头65表示当测试下的线41中出现电流时的合成磁场。

所述转换阈值60是为传统MRAM绘制的，然而基本草图对于所谓的Savchenko-类型MRAM也是有效的。给出这种第二类型存储器的不同的星形曲线，“常规”加法或减法模式可能是优选的。当来自测试下的电流线41的可能磁场沿着难轴定位时，接着仅仅，根据数字磁性感测器的初始逻辑值，对于传统的存储单元，激发脉冲的方向可以变化，假定在这种技术中仅仅难轴的方向被固定了。结果，对于不同的初始逻辑值，易轴激发场分量的符号需要被改变。在所有其它的情况中，乍一看，要求预定的磁性元件，使得测量过程以标准的MRAM写操作开始。然而由于没有确定测试下的电流线41是否传送了电流，在多数情况中，很难利用与可能的场相反的单向电流电平在预定状态中去写磁性元件。这将要求更高的电流电平，使得整个系统可能变得超尺寸。可替换的，具有多电平的电流源或可变电流源是足够的。

附图7：模式转换

另一个解决方案在于“模式转换”的概念。附图7示出了为了避免需要预设元件的模式转换的例子。当测试下的电流会导致易轴的方向上的磁场分量时，可以使用模式转换。在附图7中为两个选择的例子示出了原理：(1)在顶部的两个图中的沿易轴的测试下的磁场，以及(2)在下边两个图中的沿45度轴的测试下的磁场。在第一个例子中，对于初始逻辑0，使用加法模式，而对于逻辑1，使用减法模式。在第二个例子中，还有其它的方式。当改变相应模式时，可能测量到相反符号的可能磁场，或者换句话说，相反的电流方向。

可以使用不同类型的电流源，以发送必要的激发脉冲。对于传统MRAM，在可能磁场沿难轴的情况下，需要在难轴方向(单极)上的一个固定的场脉冲，以及在易轴的双极电流源。换句话说，这与需要MRAM写相同。然而在具有模式转换的第一个例子中，具有两个不同脉冲振幅的双极电流源需要沿着易轴。且当来自测试下的电流线41的可能电流在45度定位时，需要具有两种不同脉冲振幅的两个双极电流源，每一个都沿着易轴和难轴。换句话说，更健壮的系统会要求更复杂的激发模式。对于切换型MRAM配置，无需双极电流源，单极的也是足够的。对于这种转换概念的性质，减法模式看上去是更好的实施方式。不需要模式转换。

附图8：实施例2的详细说明：

附图8示出了对应实施例2的数字磁性感测器的操作。标记法与前面附图的相同。在实施例2中，测试下的电流线41传送磁性元件的难轴分量。由于在这个实施例中整体上仅仅出现了两个电流线，产生具有易轴分量的场的测试下的电流线41不再是一种选择。附图8给出了对于初始逻辑0或1值所生成磁场的示意性表示。在该图中的灰度和线阶梯(line stile)等与附图6和7中使用的那些类似。由于难轴场会因为测试下的线41中的电流而出现，在逻辑0和1值之间的不同将取决于磁场，由于磁化可以在到易轴的角度下。要注意的是，不再有定向在45度方向的对整个写磁场的限制。给定概念的简单性，实施例2可以是传统MRAM的优选的操作模式。它不那么适于切换型MRAM设备。

已经描述了适于测量磁场出现的数字磁性感测器。该磁场可以是外部磁场，但是也可以是测试下的电流线41中生成的局部磁场。直接的应用是芯片级电源引脚测试(电流/无电流)。该感测器完全与所有的MRAM技术兼容，并可以实际上没有成本增加。

如上所述，该实施例被限制于观测在测试下的比特定阈值要高的电流的出现，超过该阈值能够明确地检测电流。换句话说，没有关于电流的大小的信息，或者电流中的变化，例如由于老化。对于诸如电源引脚测试的应用，这是有用的，其中在操作之前并且如果可能在芯片的生存期中，传送电力到芯片的不同的10个平行引脚需要被测试。一种情况是在操作之前或者在芯片的生存期中，出现开路接点，与其它引脚中的增加电流相结合，这导致电流不再出现在接点之一。为了更准确地测量电流大小中的“测量”变化，不是执行单一的测量，而是感测器采用特定的测量模式，从其可以推导出关于电流电平的附加信息以及随时间的变化。电流的变化从感测器中的转换概率中的变化导出。可替换地，感测器的阵列可以为求平均的目的而实施。

变量测量的理论背景

不受理论的限制，磁性元件的转换是与单一能量势垒上的热激发的Arrhenius-Ne′el形式相关的。对于具有两种稳定能量最小量的给定元件，从局部最小值到全局最小值的跨能量势垒ΔE的衰弱(relaxation)的转变率，由下式给出

$\mathrm{\&gamma;}\left(\mathrm{\&Delta;E}\right)={\mathrm{\&tau;}}_0^{-1}\exp (-\mathrm{\&Delta;E}/k_{B}T)---\left(1\right)$

其中，τ₀表示反转的尝试时间，典型地τ₀＝1ns。在指数中，Boltzmann常量K_B和温度T的乘积作为Boltzmann因数。

对于一组N₀相同的磁性元件，在时间t后没有转换的位的数量N(t)由速率等式dN(t)/dt＝-N(t)/τ(ΔE)给出，其中τ(ΔE)是取决于磁场相关的能量势垒ΔE(H_EA，H_HA)的大小的特征反转时间。解是含有指数的

N(t)＝N₀exp(-t/τ(ΔE))     (2)

元件转换的概率，作为时间的函数，得出

$P\left(t\right)=\frac{N_0-N\left(t\right)}{N_0}=1-\exp (-t/\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&Delta;E}\right))---\left(3\right)$

使用对跨能量势垒的衰弱的转变率γ的定义

$\mathrm{\&gamma;}\left(\mathrm{\&Delta;E}\right)\&equiv;\frac{1}{N}\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}},---\left(4\right)$

特征反转时间可以被计算为

τ(ΔE)＝τ₀exp(ΔE/k_BT)    (5)

在MRAM中的写操作期间，或者当激发数字电流感测器时，应用了具有特定脉冲持续时间t_s的电磁电流脉冲。这种脉冲长度能够克服的能量势垒可以通过将脉冲持续时间t_s映射在在特征反转时间上而被计算。在时间间隔[0，t_s]中转换的概率P(t_s)就等于63％，当时

$t_S\&cong;{\mathrm{\&tau;}}_0\exp (\mathrm{\&Delta;E}/k_{B}T)$

或者， $\mathrm{\&Delta;E}=k_{B}T\ln \left(\frac{t_S}{{\mathrm{\&tau;}}_0}\right)---\left(6\right)$

记住，对于给定脉冲持续时间t_s能够克服的能量势垒是根据磁场的。对于单向电流脉冲(在固定的辅助难轴场中)，能量势垒可以是与生成磁场的电流相关的，利用：

$\mathrm{\&Delta;E}\left(I\right)=a{(1-\frac{I}{I_{\mathrm{sw}}})}^2---\left(7\right)$

其中I_SW是缺少热效应时的固有转换电流，且a是常量。

换句话说，如果脉冲时间被固定到毫微秒时段的理想时间，例如10ns，则可以在那段时间期间克服的能量势垒可以反过来与在脉冲期间出现的有效场相关。在这些实施例中，所述场是(1)利用两个正交脉冲生成的2-D磁场和(2)在测试下的电流线中产生的额外磁场的组合。

实际实现

在附图9中，示出了所谓加法模式的测量过程。附图9在顶部第一对图形中示出了，具有和不具有测试下电流的难轴(HA)和易轴(EA)磁场向量。中间的图形示出了具有沿着难轴的变化脉冲振幅的输出的时间序列。对于具有变换脉冲振幅的单脉冲串，感测器会转换它的状态在HA_var的某个值，该值取决于测试的难轴磁场的出现，即HA_meas，以及其大小。实心的黑数据点和空心的白数据点和曲线表示当场HA_meas出现时HA_var的移动。在(以下)改进的版本中，对多个脉冲串的统计分析可以产生如附图9的下面的图形中示出的感测器的改进输出。

对于具有增加的振幅的单脉冲串，磁性元件将根据在测试下的电流线中产生的额外磁场HA_var的电平，开始从特定的脉冲振幅向前转换。该振幅是根据测量的难轴场即HA_meas的出现以及它的大小。在附图9中，这通过将黑色数据点或实心曲线移动到白色数据点或虚线曲线来表示，其是由(1)额外磁场的出现和(2)额外磁场的大小而触发的。注意，为了清楚起见，脉冲串由独立的“写”操作组成，其中每个包括具有相互之间适当定时的两个脉冲。在附图9的例子中，只有那些脉冲之一的振幅变化了，产生难轴方向的磁场的分量。当考虑到多个脉冲串时，对于磁性元件，可以获得统计性的平均转换概率与脉冲振幅的比较。通过适当选择脉冲串中的离散电平和循环的数量，可以获得要求的精度和范围。

在不同的实施例中，可以使用都受到相同脉冲和/或额外场的多个磁性元件。换句话说，与其通过在单个单元上利用重复的测量方案而在时间上扩展测量，倒不如通过读出多个独立单元而在不同元件上求平均，其会产生类似的统计量，或者这两种方式都可以。此外，所有单元可以被结合在单个单元中(通过平行/顺序组合的手段)，产生单输出电压，其获得在表示0％和100％转换的电压之间的统计值。在附图9的较下面图形中示出了50％阈值。

可以设想上述两个原理的组合，例如在磁性元件的单个(或多个)阵列上测量例如场HA_var相关性。通过多次重复测量可以获得平均数。

实验性例子

附图10示出了较大的磁性元件的实验性数据，其中以统计的方式测量和分析(部分)元件上的单域转换事件。在固定的辅助场中，具有增大的振幅的电流脉冲被应用到该设备。示出了不同脉冲持续时间t_p的不同曲线。左手侧图形示出了转换概率，作为mA中的脉冲电流振幅的函数。每个数据点是对于给定脉冲时间t_p在I的100个脉冲的结果。实线是适合数据的指数。从右到左，每个线的脉冲时间分别是10ms、1ms、100μs、10μs和1μs。

附图10的右手侧图形示出了在电流脉冲振幅I和特征反转时间τ之间的公式(7)的关系。实线适合通过利用当P_s＝63％时t_p＝τ的事实(公式(6))而定义的数据点。

附图11示出了在实际MRAM单元中用于热激发转换的另一数据组(从Rizzo等人的Appl.Phys.Lett.80，2335-37，2002)。来自持续时间I_p＝20ns的1000场脉冲的成功反转的数量被针对为0.4×1.3μm磁性隧道结的自由层应用的电流I而绘出。每组数据都是对于从0到400e范围的不同难轴场的。实线适于公式(2)，结合公式(5)和(7)。

实际上，难轴场的确被用于降低转换所需要的易轴电流。注意对于不同的难轴场的从0％到100％转换的急剧转变。换句话说，在测量的概率中的变化可以与设备的磁性环境的变化相关的意义上，可以从重复的测量中获取附加的信息。

总的说来，所描述的实施例包括在单个感测器上的重复测量，或者可选地，受到多个脉冲的感测器阵列。直接应用是芯片级电源引脚测试。这个功能是完全兼容所有MRAM技术的，且可以实际上没有成本增加。

附图12：磁性逻辑

与功能由布线固定的基于晶体管的逻辑元件的刚性结构相比，磁阻(MR)元件可以提供增强的逻辑能力。可再编程磁性逻辑设备现在在磁学领域是热门的话题。关于磁场感测的上述原理可以被应用到磁性逻辑。感测器原理是基于当触发时，(额外)磁场能够确定数字磁性感测器的状态变化与否。换句话说，可以检测到状态的变化，或检测不到。触发器功能是短激发脉冲，其大体上与在MRAM中使用的程序操作相同。感测器本身可以是MRAM元件。

这个概念可以推广到多个输入，即由例如电流线产生的磁场。对于所谓的加法模式，附图12中已经示出了。可以设想若干其它的变化。

在附图12的例子中，假定为了转换在难轴(HA)中要求总场H，结合在易轴(EA)中的某个固定的分量。对于AND函数，我们假定在难轴中的激发脉冲仅仅是H/3，而易轴中的分量与标准程序脉冲相同。当输入变量A和B每个在感测元件中具有产生H/3大小的额外磁场的电流时，两种变量的出现会导致状态的变化，而仅仅一个或一个也没有不够导致状态的变化。事实上，这是变量A和B的AND函数的一种实现。为了改变逻辑单元为OR函数，在难轴中的激发脉冲被改为大约2H/3，这样当逻辑单元被电磁激发时变量A或B之一足够来引起状态的变化。

NAND和NOR函数可以由对状态变化的不同解释来实现。换句话说，NAND函数是逻辑<1>表示没有状态变化的AND函数。这个逻辑可以在切换MRAM概念中实施。这个概念的一个优点是可以应用相同的脉冲来在高状态和低状态之间转换；传统MRAM所要求的双向性不再需要。因此，状态变化检测原理是优选的。

通过包括预设状态(表1)，不同的逻辑函数可以进一步改变，使在激发期间的可能的状态变化产生了直接影响逻辑输出的输出，即<0>＝Low R，<1>＝HighR。预设状态0/1对“低”激发脉冲产生了如附图12所示的AND/NAND函数，而预设状态0/1对“高”激发脉冲产生了OR/NOR函数。

表1，示出预设状态怎样设置逻辑操作为AND或OR类型

A	B	输出状态	预设0	预设1
					0011	0101	SSS-S	0001	1110

			OR	NOR
A	B	输出状态	预设0	预设1
					0011	0101	S-S-S-S	0111	1000
			AND	NAND

迄今为止假定了获得类似磁场方向的输入电流线。诸如逻辑EXOR函数的其它函数可以通过包括电流的极性相关性而实现。EXOR函数对于相同的输入是<0>，对于不同的输入是<1>。实施的一个例子是通过使用具有不同电流方向的两个平行电流线A和B，定向为例如在数字磁性感测器中产生难轴分量。这个例子可以与附图12中为逻辑AND和OR门使用的几何形状相比较。结果，两个电流电平(电流或没有电流)相同时，在数字磁性感测器的合成场实际上是零。对于两个电流仅仅一个出现时，可以实现足以帮助电磁激发脉冲来转换数字磁性感测器的足够的难轴磁场分量。要注意的是，当输入和激发信号的上升和下降沿交叠时可能产生时序问题。

变量A和B可以是两个不同的输入线，其可以是相互平行的，或者垂直，或者甚至在例如45度的某个角度之下。在附图13中给出了两个实施的例子，然而该例子并不是限制性的。此外，这些输入线可以被设置在包括程序和读取线的MRAM单元，即数字感测器，之上和/或之下。假定事实是MRAM功能是嵌入在CMOS后端的，则相邻的金属层可以被用来提供输入逻辑信号，该输入逻辑信号以两种电平之一的电流的形式表示变量A和B。一般而言，可以考虑不止两个输入电流线，也可以是不同线中的多个电流电平或极性。

结束语

如上所述，用于感测磁场强度的感测器具有感测器元件，以及用于检测该感测器元件的电阻的检测电路，该电阻随测试下的磁场变化并具有滞后现象，使得当电磁激发时该电阻可以随着测试下磁场的变化而在两个或更多的稳定电平之间转换。感测器根据电阻输出数字信号。感测器输出还可以就当电磁激发时的状态变化进一步被解释。由于感测器不再需要与磁性存储单元不同的特性，因此与模拟磁性感测器相比，它可以更简单地构造和与磁性存储单元集成。电磁激发信号改变测试下的磁场的阈值，电阻在该阈值转换，以进一步支持利用不同阈值的多种测量。多个感测器元件通过具有不同的几何形状或大小可以具有不同的阈值。当感测多个输入电流时，其在电流感测中，以及可编程磁性逻辑门中有应用。改变电磁激发信号，从而改变阈值，可以将逻辑操作在AND和OR之间改变。

在权利要求的范围内，本领域技术人员可以设想其它的变形。

Claims (22)

1、一种用于感测测试下的磁场强度的感测器，具有感测器元件以及用于检测感测器元件的电阻的电平的电路，电阻的电平随测试下的磁场变化，其特征在于：感测器元件的电阻的电平的变化具有滞后性，使得当电磁激发时，电阻可以随着测试下磁场的变化在两个或更多的稳定电平之间转换，并且感测器根据该电阻的电平输出数字信号。

2、权利要求1的感测器，配置为比较电阻的电平和电阻的在前电平，并根据比较输出数字信号。

3、权利要求1的感测器，具有用于在感测前初始化电阻电平的电路。

4、权利要求1的感测器，具有用于提供至少一个电磁激发信号给感测器元件的电路。

5、权利要求4的感测器，具有用于在向上或向下转换电阻电平的电磁激发的不同模式之间进行模式选择和改变的电路。

6、权利要求4的感测器，具有用于为向上或向下转换电阻电平提供相同的电磁激发信号的电路。

7、权利要求1的感测器，具有用于改变测试下的磁场的电阻转换的阈值的装置。

8、权利要求1的感测器，配置为对测试下的磁场进行一系列利用不同阈值的测量。

9、权利要求1的感测器，具有多个感测器元件，多个感测器元件具有对于测试下的磁场的不同阈值。

10、权利要求9的感测器，所述多个感测器元件具有不同的几何形状或大小。

11、权利要求1的感测器，配置为检测测试下的磁场的极性。

12、权利要求1的感测器，配置为如果测试下的磁场超过阈值时则转换，或者如果测试下的磁场低于阈值时则转换。

13、一种具有权利要求1的感测器的电流感测器，配置为感测由导体中的电流产生的磁场。

14、一种磁性逻辑电路，具有两个或多个用于传送表示逻辑输入的电流的输入导体，并且具有如权利要求13所述的电流感测器来感测电流，该感测器的输出值表示在输入上的逻辑操作的结果。

15、权利要求14的电路，所述电流感测器具有用于提供电磁激发信号的电路，该电路可以变化来改变逻辑操作类型。

16、权利要求15的电路，配置为使用相同的电磁激发信号来向上或向下转换电平。

17、权利要求12的电路，所述逻辑操作包括任意的AND、OR、NAND或NOR操作，或者这些的组合。

18、一种具有权利要求13的电路感测器或权利要求14的电路的集成电路。

19、权利更求18的集成电路，具有集成的随机存取磁性存储元件。

20、权利要求18的集成电路，当根据权利要求14并且利用CMOS层作为感测器元件时，使用相邻金属层作为逻辑输入的导体。

21、一种制造权利要求18的集成电路的方法。

22、一种利用权利要求1的感测器来感测磁场或电流的方法。

Images