CN105891577B - 偏移电压补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及偏移电压补偿。电桥偏移电压补偿方法以及具有电桥电路和隧道磁阻（TMR）电阻器级联的电路。电桥电路包括分支电路。TMR电阻器级联与分支电路串联耦合，并且被配置为提供用于补偿电桥电路的电桥偏移电压的电阻。

Description

偏移电压补偿
背景技术
惠斯登电桥是用于通过平衡电桥的两个分支来测量未知的电气电阻的电路，其中的一个分支包括未知电阻。为了在诸如角度传感器的传感器中使用惠斯登电桥时获得最佳性能，电桥偏移电压需要在芯片上被校正。通常，电桥偏移电压呈现出温度系数，这可能导致在与电桥偏移电压被校正的温度不同的温度下的显著偏移。
附图说明
图1A图示了隧道磁阻（TMR）堆叠。
图1B图示了TMR电阻器。
图1C图示了底部电极电阻器。
图2A图示了用于使用激光熔丝来补偿在全桥中的电桥偏移电压的电路。
图2B图示了用于使用激光熔丝来补偿在半桥中的电桥偏移电压的电路。
图3图示了用于补偿电桥偏移电压和温度系数的电路。
图4图示了用于补偿电桥偏移电压或者补偿电桥偏移电压和温度系数的示出全桥电路的电路。
图5图示了用于使用接触焊盘来补偿电桥偏移电压的电路。
图6A图示了用于补偿全桥中的电桥偏移电压的方法的流程图。
图6B图示了用于补偿半桥中的电桥偏移电压的方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及用于补偿电桥偏移电压的TMR电阻器级联。TMR电阻器级联的电阻调整可以使用激光熔丝或者替代地通过开关或通过使级联的个体TMR电阻器短路来完成。此外，TMR电阻器级联和具有相对温度系数的底部电极电阻器级联的组合可以用于产生具有零或基本上接近零的温度系数的偏移电压补偿。
图1A-1C图示了如本文中公开的用于补偿电桥偏移电压的基本部件。
图1A图示了隧道磁阻（TMR）堆叠100A。TMR堆叠100A包括具有铁磁性质的底部电极110A和具有铁磁性质的顶部电极130A，在其之间是隧穿势垒120A。如已知的，隧穿势垒120A的电导取决于顶部和底部电极110A、130A关于其磁的性质是平行的还是反平行的而变化。
图1B图示了TMR电阻器100B。类似于TMR堆叠100A，TMR电阻器100B包括铁磁底部电极110B和铁磁顶部电极130B，在其之间是隧穿势垒120B。然而，对于TMR电阻器100B而言，使用标准TMR蚀刻工艺来蚀刻顶部电极130B，以定义磁活性区域。TMR电阻器100B具有负温度系数nTK，这意味着，随着增加的温度，TMR电阻器100B的隧穿电阻减小。温度系数可以是大约-0.1%/K。
图1C图示了底部电极电阻器100C。底部电极电阻器100C包括铁磁底部电极110C和隧穿势垒120C。与TMR电阻器100B相反，底部电极电阻器100C具有正的温度系数pTk，这意味着，随着增加的温度，底部电极电阻器100C的电阻增加。正的温度系数pTk可以是大约+0.1%/K。
本公开的电桥偏移电压补偿利用以两个步骤执行的TMR堆叠100A的通常结构化方法。在第一步骤中，将顶部电极130向下蚀刻到隧穿势垒120，以定义传感器层的几何形状。在第二步骤中，在另一蚀刻工艺中结构化铁磁底部电极110。在单个沉积结构化工艺中，因此有可能定义如图1B中示出的TMR电阻器100B和如图1C中示出的铁磁底部电极电阻器100C两者。在另一实施例中，第一步骤的蚀刻工艺在铁磁底部电极110中或在铁磁底部电极110内停止在隧穿势垒120以下，如图1C中示出的那样。
图2A图示了用于补偿全桥中的电桥偏移电压而不补偿温度系数Tk的电路200A。
电桥偏移电压补偿电路200A包括惠斯登电桥、TMR电阻器级联220A和激光熔丝电路230A。
惠斯登电桥包括并联耦合的第一分支电路210和第二分支电路（未示出）。第一分支电路210可以包括串联耦合的第一TMR电阻器211和第二TMR电阻器212，在其之间是输出电压点Vout1。为了简单起见，仅示出了惠斯登电桥的第一分支电路210。如同第一分支电路210，第二分支电路包括在输出电压点之间串联耦合的两个TMR电阻器，如在图4中示出并且如下描述的那样。
TMR电阻器级联220A与第一分支电路210串联耦合，并且被配置为提供用于补偿电桥偏移电压的电阻。该示例中的TMR电阻器级联220A包括分别具有电阻R、R/2、R/4、R/8、R/16、R/32、R/64和R/128的八个TMR电阻器，其用标记A、2A、4A、8A、16A、32A、64A和128A来表示，其中R表示电阻值。TMR电阻器级联220A被配置为具有加倍的面积大小，即，具有减半的从电阻器到电阻器的电阻。电阻由顶部电极130的尺寸来定义，尺寸越大，电流越大并且电阻越小。TMR电阻器级联220A的电阻器的隧穿势垒120的厚度与第一和第二TMR电阻器211、212的厚度相同。
具有八个TMR电阻器的TMR电阻器级联220A不意味着是限制性的。可以存在适合于预期目的的任何数目的TMR电阻器。而且，也不需要减半的从电阻器到电阻器的电阻。
尽管未示出，但是第二分支电路类似地与第二TMR电阻器级联串联耦合，并且还被配置为提供用于补偿电桥偏移电压的电阻偏移。
激光熔丝电路230A与TMR电阻器级联220A并联耦合。激光熔丝电路230A包括耦合到电压源VDD的低欧姆金属线239和多个激光熔丝231-238。激光熔丝231-238分别与TMR电阻器128A、64A、32A、16A、8A、4A、2A和A相对应，并且被配置为调整TMR电阻器级联220A的电阻。更具体地，如果需要额外电阻来补偿电桥偏移电压，则个体激光熔丝231-238被配置为在预定位置处断开低欧姆金属线239，以强制电流经过通过TMR电阻器级联220A定义的电流流动路径。在该示例中，在零和2R-R/128之间的任何电阻可以用R/128的分辨率来实现。
激光熔丝电路230A可以替代地用低欧姆开关电路来代替。低欧姆开关电路包括低欧姆金属线239和多个开关，作为代替多个激光熔丝231-238的单片集成半导体开关。
图2B图示了用于使用激光熔丝来补偿半桥中的电桥偏移电压的电路200B。电路200B类似于图2A的电路200A，添加了另一TMR电阻器级联220B,其中相应的激光熔丝电路230B被串联耦合在GND端子和TMR电阻器212之间。在该电路200B中，惠斯登半桥配置的偏移补偿被启用。与图2A的电路200A类似，激光熔丝电路230B可以替代地用低欧姆开关电路来代替。
图3图示了具有针对温度系数Tk的额外补偿的用于补偿电桥偏移电压的电路300。
电桥偏移电压补偿电路300包括惠斯登电桥和TMR电阻器级联220A，如以上关于图2A所描述的那样，但是现在额外地包括底部电极电阻器级联340。
底部电极电阻器级联340与TMR电阻器级联220A串联耦合。该示例中的底部电极电阻器级联340包括具有电阻R、R/2、R/4、R/8、R/16、R/32、R/64和R/128的八个底部电极电阻器，其中R表示电阻值。与TMR电阻器级联220A类似，底部电极电阻器级联340被配置为具有加倍的处于特定长度的宽度，即，具有减半的从电阻器到电阻器的电阻。本公开不限于具有八个电阻器和/或具有减半的从电阻器到电阻器的电阻的底部电极电阻器级联340，但是可以被配置为适合于预期目的。
激光熔丝电路330包括图2A的激光熔丝231-238，并且额外地包括与底部电极电阻器级联340的底部电极电阻器对应的激光熔丝331-338。
TMR电阻器级联220A具有负的温度系数nTK，并且底部电极电阻器级联340具有正的温度系数pTk，如以上所描述的那样。可以通过首先根据以下等式1计算变量α来计算要被调整以补偿电桥偏移电压的级联220A、340的电阻值：
　　　　　　（等式1）
其中，Tk_Offsettarget是要被补偿的偏移电压的测量的温度系数Tk。此外，Tk_RTMR和Tk_RBottom分别表示TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340的电阻的温度系数。
如果系数α的符号是负的，则
　　　　　　（等式2A和2B）
其中，RBottom和RTMR分别表示针对TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340要通过激光熔断调整的电阻。RCorr是补偿电桥电路的偏移电压所需要的电阻。
替代地，如果系数α的符号是正的，则
　　　　　　（等式3A和3B）
在零和2R-R/128之间的任何补偿电阻可以用Tk_RTMR和Tk_RBottom之间的任何温度系数的偏移Tk_Offset来实现，以完成具有零或基本上接近零的温度系数Tk的电桥偏移电压补偿。
如果TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340的电阻的幅值基本相等，则是有利的。在这样的情况下， TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340的相对温度系数Tk导致了具有零或基本上接近零的温度系数Tk的电桥偏移电压补偿。
虽然未示出，但是第二分支电路类似地与第二TMR电阻器级联和第二底部电极电阻器级联串联耦合，并且还被配置为提供用于用针对温度系数Tk的额外补偿来补偿电桥偏移电压的电阻偏移。
此外，电路300被描述为补偿电桥偏移电压并且具有对关于全桥的温度系数Tk的额外补偿。以与以上关于图2B的电路200B的半桥描述类似的方式，电路300的概念通过添加在GND端子和TMR电阻器212之间串联耦合的另一TMR电阻器级联和另一底部电极电阻器级联而还适用于半桥。
图4图示了用于补偿电桥偏移电压或者电桥偏移电压和温度系数的电路400。电路400示出了全惠斯登电桥420，与在图2和3中示出的仅半桥相反。
惠斯登电桥420包括并联耦合的第一分支电路210和第二分支电路410。第一分支电路210包括耦合到TMR电阻器212的TMR电阻器211，在其之间是输出电压点VOUT1。第二分支电路410包括耦合到TMR电阻器414的TMR电阻器413，在其之间是输出电压点VOUT2。如已知的，输出电压点VOUT1和VOUT2之间的电压差表示电桥偏移电压。
第一电阻器级联430与第一分支电路210串联耦合。该第一电阻器级联430可以包括TMR电阻器级联220A，或者替代地包括TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340的组合，如以上分别关于图2A和图3描述的那样。类似地，第二电阻器级联440与第二分支电路410串联耦合，并且类似地如第一电阻器级联430那样被配置。
通过示例的方式，如果电桥偏移电压是由TMR电阻器414的电阻过高而产生的，则可以通过增加与TMR电阻器413串联耦合的第二级联440的电阻来减少电桥偏移电压。而且如果例如电桥偏移电压是由TMR电阻器212的电阻过高而产生的，则可以通过增加与TMR电阻器211串联耦合的第一级联430的电阻来减少电桥偏移电压。如果第一和第二级联430、440中的每一个包括TMR电阻器级联220A和底部电极电阻器级联340的组合，则温度系数Tk还可以被减小到零或基本上接近零。
图5图示了用于使用接触焊盘来补偿电桥偏移电压的电路500。
该偏移电压补偿电路500类似于图2A的偏移电压补偿电路200A，除了代替激光熔丝电路230而存在在TMR电阻器级联220A的各个TMR电阻器之间耦合的多个接触焊盘530（531-539）。
可以通过跨其顶部和底部电极130B、110B施加高于击穿电压VBD的电压来使TMR电阻器短路。隧穿势垒120B被破坏并且被永久短路，从而产生了具有低电阻的TMR电阻器。
接触焊盘531-539可以用于使TMR电阻器级联220A的TMR电阻器中的任何一个短路，从而以电气方式调整TMR电阻器级联220A的电阻。例如，当大于击穿电压VBD的电压被施加到接触焊盘538和539时，第一TMR电阻器R被短路，由此使TMR电阻器级联220A的电阻减少了R。使用该方法，有可能在不使用激光或开关的情况下以电气方式补偿电桥偏移电压。
虽然未示出，但是第二分支电路类似地与第二TMR电阻器级联串联耦合，并且还被配置为提供用于补偿电桥偏移电压的电阻偏移。
此外，电路500被描述为补偿关于全桥的电桥偏移电压。以与以上关于图2B的电路200B的半桥描述那样类似的方式，电路500的概念通过添加在GND端子和TMR电阻器212之间串联耦合的另一TMR电阻器级联而还适用于半桥。
图6A图示了用于补偿全桥中的电桥偏移电压的方法的流程图600A。
在步骤610A处，提供了具有并联耦合的第一分支电路210和第二分支电路410的惠斯登电桥420。
在步骤620A处，第一电阻器级联430与第一分支电路210串联耦合。
在步骤630A处，第二电阻器级联440与第二分支电路410串联耦合。
在步骤640A处，测量惠斯登电桥420的电桥偏移电压。可以使用以上关于图3描述的计算来执行该测量步骤640A。
在步骤650A处，基于测量的电桥偏移电压来配置第一和第二电阻器级联430、440中的至少一个的电阻，以提供用于补偿电桥偏移电压的电阻。
电桥电路被示出为惠斯登电桥，尽管本公开不在该方面受限制。本公开适用于其中电阻需要被调整为高准确度的任何电路。而且，电桥电路可以被包括在诸如在汽车中找到的传感器的传感器内，尽管本公开在该方面不受限制。
图6B图示了用于补偿半桥中的电桥偏移电压的方法的流程图600B。
在步骤610B处，提供了具有分支电路210的半桥电路。
在步骤620B处，TMR电阻器级联220B与分支电路210串联耦合。
在步骤640B处，测量分支电路210的电桥偏移电压。可以使用以上关于图3描述的计算来执行该测量步骤640B。
在步骤650B处，基于测量的电桥偏移电压来将TMR电阻器级联220B的电阻配置为提供用于补偿电桥偏移电压的电阻。
虽然已经结合示例性实施例描述前述内容，但是理解的是，术语“示例性”仅意味着作为示例，而不是最佳或最优的。因此，本公开旨在涵盖可以被包括在本公开的范围内的替换、修改和等价物。
尽管在本文中已经图示和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将领会的是，在不脱离本公开的范围的情况下，各种替换和/或等价实施方式可以代替示出和描述的具体实施例。本公开旨在涵盖在本文中讨论的具体实施例的任何适配或变化。

Claims (19)

1.一种电桥偏移电压补偿电路，包括：
具有第一分支电路的电桥电路；以及
隧道磁阻（TMR）电阻器级联，与所述第一分支电路串联耦合并且被配置为提供用于补偿电桥电路的电桥偏移电压的电阻，使得所述电桥偏移电压具有零或接近零的温度系数。
2.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，进一步包括：
低欧姆金属线，与TMR电阻器级联并联耦合并且具有熔丝，
其中，所述熔丝被配置为调整TMR电阻器级联的电阻。
3.根据权利要求2所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，所述熔丝被配置为在预定位置处断开低欧姆金属线，以建立通过TMR电阻器级联的定义的电流流动路径。
4.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，进一步包括：
低欧姆金属线，与TMR电阻器级联并联耦合并且具有开关元件，
其中，所述开关元件被配置为调整TMR电阻器级联的电阻。
5.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，
所述TMR电阻器级联在第一分支电路和电压源之间串联耦合，并且
所述电桥偏移电压补偿电路进一步包括在第一分支电路和接地端子之间串联耦合的另一TMR电阻器级联。
6.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，TMR电阻器级联的各个TMR电阻器的电阻值增加到两倍。
7.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，
所述电桥电路具有与第一分支电路并联耦合的第二分支电路，并且
电桥偏移电压补偿电路进一步包括第二TMR电阻器级联，所述第二TMR电阻器级联与第二分支电路串联耦合并且被配置为提供用于补偿电桥偏移电压的电阻。
8.根据权利要求7所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，电桥电路是惠斯登电桥。
9.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，进一步包括：
多个接触焊盘，耦合在TMR电阻器级联的各个TMR电阻器之间，
其中，多个接触焊盘被配置为提供施加的电压，其大于TMR电阻器级联的TMR电阻器中的至少一个的击穿电压，以使TMR电阻器中的至少一个短路并且降低TMR电阻器级联的电阻。
10.根据权利要求1所述的电桥偏移电压补偿电路，进一步包括：
与TMR电阻器级联串联耦合的底部电极电阻器级联，
其中，TMR电阻器级联具有负的温度系数，并且底部电极电阻器级联具有正的温度系数。
11.根据权利要求10所述的电桥偏移电压补偿电路，其中，所述TMR电阻器级联的电阻的幅值和底部电极电阻器级联的电阻的幅值相等。
12.一种传感器，包括根据权利要求1所述的偏移电压补偿电路。
13.一种电桥偏移电压补偿电路，包括：
具有第一分支电路的电桥电路；以及
第一电阻器级联，与第一分支电路串联耦合并且具有正的温度系数；以及
第二电阻器级联，与第一分支电路和第一电阻器级联串联耦合并且具有负的温度系数，
其中，第一和第二电阻器级联被配置为提供用于补偿电桥电路的电桥偏移电压的电阻，并且电桥偏移电压具有零或接近零的温度系数。
14.一种补偿电桥偏移电压的方法，包括：
提供具有分支电路的电桥电路；
提供与分支电路串联耦合的隧道磁阻（TMR）电阻器级联；
测量电桥电路的电桥偏移电压；以及
基于测量的电桥偏移电压来配置用于补偿电桥电路的电桥偏移电压的TMR电阻器级联的电阻，使得所述电桥偏移电压具有零或接近零的温度系数。
15.根据权利要求14所述的方法，
进一步包括提供与TMR电阻器级联并联耦合并且具有熔丝的低欧姆金属线，
其中，配置步骤包括使用熔丝在预定位置处断开低欧姆金属线，以建立通过TMR电阻器级联的定义的电流流动路径。
16.根据权利要求14所述的方法，
进一步包括为TMR电阻器级联提供在TMR电阻器级联的各个TMR电阻器之间耦合的多个接触焊盘，
其中，配置步骤包括使用多个接触焊盘对TMR电阻器中的至少一个提供大于击穿电压的电压，以降低TMR电阻器级联的电阻。
17.根据权利要求14所述的方法，
进一步包括提供与TMR电阻器级联串联耦合的底部电极电阻器级联，
其中，TMR电阻器级联具有负的温度系数，并且底部电极电阻器级联具有正的温度系数。
18.根据权利要求17所述的方法，
进一步包括提供与TMR电阻器级联和底部电极电阻器级联并联耦合的低欧姆金属线，其中，所述低欧姆金属线具有熔丝，
其中，配置步骤包括使用熔丝在预定位置处断开低欧姆金属线，以建立通过TMR电阻器级联和底部电极电阻器级联的定义的电流流动路径。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，配置步骤包括：
根据以下等式来计算变量α：
其中，Tk_Offsettarget是电桥电路的电桥偏移电压的测量的温度系数，Tk_RTMR和Tk_RBottom分别表示TMR电阻器级联和底部电极电阻器级联的电阻的温度系数，并且
如果变量α的符号是负的，则TMR电阻器级联的补偿电阻是RTMR = (1–α)·RCorr，并且底部电极电阻器级联的补偿电阻是Rbottom = α·RCorr，并且
如果变量α的符号是正的，则TMR电阻器级联的补偿电阻是RTMR = α·RCorr，并且底部电极电阻器级联的补偿电阻是Rbottom = (1-α)·RCorr，
其中，RCorr是补偿电桥电路的电桥偏移电压所需要的电阻。
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