CN107533113A - 具有增加的snr的磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了用于改进磁场传感器的信噪比(SNR)的各种手段，用于低功率和高分辨率磁感测。这种改进可以通过减少寄生效应、增加感测元件封装密度、交错Z轴布局以减少消减效应、以及优化Z轴感测元件与磁通引导器之间的对准等来完成。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月1日提交的美国临时申请No.62/156,013；于2015年4月29日提交的临时申请No.62/154,210；以及于2016年4月28日提交的美国非临时申请No.15/141,461的优先权权益，所有这些申请都通过引用被结合于此。
技术领域
本发明一般而言涉及磁场传感器领域，并且更具体而言，涉及增加磁场传感器的信噪比(SNR)的方法。
背景技术
磁场传感器已经被广泛用于诸如计算机、膝上型电脑、媒体播放器、智能电话等的各种电子设备中。存在几种可以用于检测磁场的技术/设备。隧道磁阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)是用于手持式应用的有前景的磁感测技术，因为与其它磁传感器相比，它在灵敏度、功率和工艺成本方面具有优点。磁场感测中的另一个紧密相关的技术是巨磁阻(Giant Magneto resistance，GMR)，并且所公开的实施例中的许多实施例同样很好地适用基于GMR的感测技术。
TMR元件由被非磁性绝缘隧道势垒(barrier)隔开的两个铁磁层组成。一个层具有在磁场中“自由”旋转的磁化方向。另一个层(基准层)具有当在有兴趣感测的中等至低强度的磁场中时不旋转的“固定的”基准磁化。如果两个层的磁化方向彼此平行，那么隧道势垒的电阻低。相反，当磁化方向为反平行时，电阻高。因此，基于TMR的磁场传感器通过由于磁性自由层响应于场相对于固定层的基准磁化的磁化方向的角度变化而导致的电阻变化将磁场转换成电信号。
磁传感器的性能可以通过其信噪比(SNR)来定义。具有高SNR的磁传感器需要高功率操作来实现期望的输出信号质量，并且通常不适用于其中需要高精度磁场测量的情况。
因此，期望具有有效增加用于较低功率和高分辨率磁感测的磁场传感器的信噪比(SNR)的系统、设备和方法。
发明内容
本发明的某些实施例提供有效增加用于低功率、高分辨率磁感测的TMR磁场传感器的SNR的系统、设备和方法。
根据本发明的各种实施例，公开了用于改进TMR场传感器的SNR的各种手段。这种改进可以通过减少寄生效应、增加感测元件封装密度、交错Z轴布局以减少消减效应(subtractive effect)、以及优化Z轴感测元件与磁通引导器之间的对准等来实现。
在某些实施例中，磁传感器用惠斯通桥电路构建，其中每个支路包括相同数量的感测元件。这样的设计可以避免对平面场的差异响应，因为所有元件都以相同的方式响应。此外，为了平衡的感测电流流动(例如，为了每个感测元件有相等的SNR加权)，采用每金属磁隧道(metal magnetic tunnel，MMT)偶数个感测元件(优选为4个感测元件)，并且感测电流竖直地流过磁隧道结(magnetic tunneljunction，MTJ)感测元件并且垂直于MMT朝向，MMT将相邻的感测元件互连以使电阻损耗最小。
在某些实施例中，对于Z轴磁感测，Z轴布局被交错以利用磁通引导器的两侧。优选地，针对最佳沟槽宽度使用双磁通引导器，同时维持TMR感测元件内的基准层的节距和间距约束。感测元件也可以用在磁通引导器的两侧，以消除当一个沟槽的非活动铁磁侧足够接近以与相邻感测元件列的一侧相互作用时存在的消减效应。相邻的感测元件可以被布置为对平面外的场具有相反的响应，因此，Z轴传感器支路变得彼此交错以允许更密集的封装、相对较高的感测元件占用面积、以及相对较高的SNR，而不会由于上述消减效应而影响灵敏度。
在某些实施例中，与90度交叉角复位线布线相比，TMR传感器内的内置复位线以45度交叉角布线到磁感测元件的易(长)轴，以使切换阈值降低大约两倍。此外，在双极性斩波方法中可以将TMR传感器内的复位线与上述手段组合使用来进一步降低传感器输出信号噪声。
虽然以下使用具有TMR元件的TMR磁场传感器对本发明进行讨论，但是本发明的所有方面也将直接适用于基于巨磁阻(GMR)技术的设备。这里公开的发明也适用于利用软磁膜感测磁场的任何磁感测技术，诸如，例如，各向异性磁阻(AMR)、磁通门和具有通量集中器的霍尔(Hall)传感器。为了简单和清楚起见，下面将以TMR技术作为示例更详细地描述本发明。
附图说明
将参考附图中图示的本发明的示例性实施例。这些图旨在是说明性的而不是限制性的。虽然本发明通常在这些实施例的上下文中进行描述，但是并不旨在通过这样做将本发明的范围限制为所绘出和描述的实施例的特定特征。
图1绘出了根据本发明的各种实施例的单个TMR元件单元的截面图。
图2绘出了根据本发明的各种实施例的具有多个元件单元的TMR传感器支路的示例性结构概览。
图3绘出了根据本发明的各种实施例的具有多个Z轴TMR元件单元的Z轴TMR换能器支路的示例性结构概览。
图4绘出了现有技术的X/Y轴TMR元件单元的典型互连的截面结构概览。
图5绘出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的互连的示例性截面结构概览。
图6绘出了现有技术的Z轴TMR元件单元的典型互连的截面结构概览。
图7绘出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的互连的示例性截面结构概览。
图8A-8C示出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR感测元件单元和磁通引导器的截面图。
图9绘出了根据本发明的各种实施例的包括具有多个TMR换能器支路的桥电路的TMR磁场传感器的示例性结构概览。
图10A-10B绘出了根据本发明的各种实施例的用于测量磁场的X轴或Y轴的桥电路的示例性示意图。
图11A-11B绘出了根据本发明的各种实施例的用于测量Z轴磁场的桥电路的示例性示意图。
图12绘出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的阵列的示例性结构图。
图13绘出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的阵列的第二示例性结构图。
图14绘出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的阵列的示例性结构图。
图15A-15C绘出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的阵列的示例性示意图。
图16绘出了根据本发明的各种实施例的具有45度复位电流线的Z轴TMR元件单元的阵列的示例性示意图。
本领域技术人员将认识到，本发明的各种实现方式和实施例可以根据说明书来实践。所有这些实现方式和实施例旨在包括在本发明的范围内。
如本文所使用的，术语“包括”、“包括有”或其任何其它变体旨在涵盖非排他性包括，使得包括元素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素，而且还可以包括未明确列出的其它元素或者这些过程、方法、物品或装置固有的其它元素。术语“示例性”在“示例”的意义上使用，而不是在“理想”的意义上使用。
具体实施方式
在以下描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。但是，本发明可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践。下面描述的本发明的实施例可以被并入到多个不同的电气部件、电路、设备和系统中。框图中所示的结构和设备是对本发明的示例性实施例的说明，并不用作掩盖本发明的广泛教导的借口。各图中的部件之间的连接不旨在限于直接连接。相反，可以通过中间部件将部件之间的连接修改、重新格式化、重新布线或以其它方式更改。
当本说明书引用“一种实施例”或“实施例”时，这意味着结合正在讨论的实施例描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个预期实施例中。因此，在本说明书中的不同地方出现的短语“在一种实施例中”并不构成对本发明的单个实施例的多次引用。
本发明的各种实施例用于有效地增加TMR磁场传感器的SNR并维持期望的测量灵敏度的系统、设备和方法。TMR磁场传感器及其中的(一个或多个)TMR元件可以集成在单个部件上或包含分立部件。此外，本发明的实施例可应用于多种多样的技术和方法集。
如上所述，本文所要求保护的磁场传感器可以意味着TMR磁场传感器、GMR磁场传感器、AMR磁场传感器、磁通门磁场传感器和/或具有通量集中器的霍尔磁场传感器中的一个或多个。此外，本文所要求保护的磁阻感测元件可以意味着TMR元件、GMR元件、AMR元件、磁通门元件和/或具有通量集中器的霍尔元件中的一个或多个。
图1图示了根据本发明的各种实施例的单个TMR元件单元100的截面图。TMR元件单元100由被非磁性绝缘隧道势垒116(也称为隧道结(TJ))隔开的第一图案化铁磁层112和第二铁磁层114组成。在一种实施例中，第一层112(也称为感测元件)具有在磁场中自由旋转的磁化方向132。第二层114(参考层)具有当在磁场中时不旋转的固定基准磁化方向134。如果两个层的磁化方向彼此平行，那么隧道势垒116的电阻相对低。相反，当磁化方向为反平行时，电阻相对较高。
因此，TMR元件单元100通过由于磁性自由层的磁化方向132响应于场相对于固定层的基准磁化方向134的变化角度而导致的电阻变化将磁场转换成电信号。铁磁层112和114可以由任何合适的铁磁材料形成，诸如Ni、Fe、Co或其合金。绝缘隧道势垒116可以由诸如AlOx、MgOx、ZrOx、TiOx、HfOx或其任何组合的绝缘体材料组成。
通常，第一铁磁层112通过第一触点122连接到第一导线124，并且第二铁磁层114通过可从第二铁磁层114的上方以及下方接触的第二触点126连接到第二导线128。第二导线128也可以称为金属磁隧道(metal magnetic tunnel，MMT)层。在一种实施例中，第一导线124和第二导线128可以连接到其它TMR元件单元100以形成TMR元件单元阵列。
在一种实施例中，TMR元件单元100包括位于、部署或沉积为与第二铁磁层114相邻以承载复位电流的内置电流线410。一个TMR元件单元100的电流线410可以耦合到多个其它TMR元件单元的电流线。在另一种实施例中，TMR元件单元100还包括位于、部署或沉积为与第一铁磁层112相邻的第二内置电流线420。第一铁磁层112被图案化成具有长轴和短轴的形状。在零磁场中，第一铁磁层112的磁化方向沿着元件100的长轴排列，并且可以被引导在沿着该轴的两个方向中的任一个方向上。通过向电流线410和/或电流线420施加复位电流信号，在环绕相应电流线410/420的环境区域中生成感应磁场。由于第一层112具有自由旋转和切换的磁化方向132，因此磁化方向132将切换为沿着由感应磁场在其轴上投射的方向。作为图1中的示例性图示，当电流线410中的电流具有向外指向(相对于页面)的方向并且电流线420中的电流具有向内指向(相对于页面)的方向时，磁化方向132指向左侧，其具有与基准磁化方向134负向对准的分量，并且将把自由层的磁化方向132切换到左侧；当电流线410中的电流具有向内指向的方向和/或电流线420中的电流具有向外指向的方向时，磁化方向132指向右侧，其具有与基准磁化方向134正向对准的分量，并且将把自由层的磁化方向132切换到右侧。
在一种实施例中，TMR元件单元100包括用于Z轴磁场感测的至少一个内置磁通引导器(为了图的清楚起见，在图1中未示出)。磁通引导器118在图3、6和7中示出，并且将在下面描述。
图2绘出了根据本发明的各种实施例的具有多个元件单元100的TMR换能器支路210的示例性结构概览。TMR传感器支路210包括优选地以矩阵布局布置的多个活动感测元件单元100a-100d的阵列。在一种实施例中，每个TMR换能器支路210包括24×24感测元件单元100的阵列，其整体尺寸大约为100×100um2。每个感测元件单元100的电流线410a和410b中的电流流动可以是或者可以不是相同的方向。应当理解的是，图2所示的结构仅仅用于一般图示目的。除了图2中公开的图案之外，可以在阵列内实现各种感测元件耦合图案。在一种实施例中，感测元件单元(例如，单元100a、100c)可以相对于相邻感测元件单元(例如，单元100b和100d)的电流线具有相反电流方向。为了给定芯片区域中的最高信噪比(感测元件单元的最密集封装)，多个TMR元件单元100可以共享公共基准层(例如，公共的第二铁磁层114)。在一种实施例中，为了平衡的感测电流流动，四个感测元件单元可以共享公共基准层，其中每个TMR元件单元具有相等的SNR加权。这种配置在图12中标记为“一个MMT”的圆圈区域中示出。
图3绘出了根据本发明的各种实施例的具有多个元件单元311的Z轴TMR换能器支路310的示例性结构概览。每个Z轴TMR换能器支路310包括优选地以矩阵布局布置的多个活动Z轴TMR元件单元311a-311d的阵列。在一种实施例中，每个Z轴TMR换能器支路310包括60×40Z轴感测元件单元311的阵列，其整体尺寸大约为150×200um2。Z轴TMR元件单元311具有与图1所示的TMR元件单元100相似的结构，只是Z轴TMR元件单元311还包括至少一个磁通引导器118。虽然磁通引导器118位于、部署或沉积在如图3所示的Z轴感测元件单元311的第一铁磁层312(等同于图1和图2所示的第一铁磁层112)的右侧和下面，但是应当理解的是，磁通引导器118可以位于、部署或沉积在Z轴感测元件单元311的第一铁磁层312的左侧和/或上方。通过将磁通引导器118位于、部署或沉积在感测元件单元311的相对侧和相对面上(即，右侧、下面和左侧、上方)，可以使Z轴灵敏度加倍。每个Z轴TMR元件单元311的电流线410中的电流流动可以是或者可以不是相同的方向。在一种实施例中，Z轴感测元件单元311a、311c可以相对于相邻的Z轴感测元件311b、311d的电流线具有相反电流方向。
图4绘出了现有技术的X/Y轴TMR元件单元的典型互连的截面结构概览。每个第二铁磁层114(MMT)仅耦合到一个第一铁磁层112。TJ 116未在图4-7中明确地示出。因此，必须使用第二铁磁层114(MMT)上的单独的通孔142用于TMR感测元件单元之间的电连接。
图5绘出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的互连的示例性截面结构概览。与图4相比，第二铁磁层114(MMT)和上导体层124耦合到多个第一铁磁层112，并且直接用作用于TMR感测元件之间的串联耦合的连接导体，而无需附加的通孔或互连长度。通过这样做，电耦合路径显著减少，来自耦合路径的寄生效应也显著降低。在优选实施例中，每个第二铁磁层114(MMT)耦合到四个第一铁磁层112。在一种实施例中，所有感测元件单元被布置在MMT上的单个行或列中(参见例如图12)。此外，感测电流竖直地流过MTJ感测元件单元并且垂直于MMT朝向，MMT将相邻的感测元件单元互连以使电阻损耗最小。
图6绘出了现有技术的Z轴TMR元件单元的典型互连的截面结构概览。类似于图4，每个第二铁磁层114(MMT)仅耦合到一个第一铁磁层112。因此，必须使用第二铁磁层114(MMT)上的单独的通孔142用于在感测元件单元之间连接的电连接。
图7绘出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的互连的示例性截面结构概览。与图6相比，第二铁磁层114(MMT)耦合到多个第一铁磁层112，并且直接用作用于感测元件单元之间的串联耦合的连接导体。通过这样做，电耦合路径显著减少，来自耦合路径的寄生效应也显著降低。在优选实施例中，每个第二铁磁层114(MMT)耦合到两个第一铁磁层112。由于每个感测元件单元具有相等的SNR加权，因此这种布置对平衡的感测电流流动将是有益的。
图8A-8C示出了根据本发明的各种实施例的典型Z轴TMR元件单元和Z轴TMR元件单元的截面图之间的比较。截面图延伸到多个TMR元件单元。为了清楚起见，在图8A-8C中未示出诸如第二铁磁层114、绝缘隧道势垒116等的一些部件。磁通引导器118是由高磁导率磁性材料制成的高纵横比竖直条，其端部终止于接近TMR感测元件(即，第一铁磁层112)的相对边缘。磁通引导器118从取向为Z轴方向的施加场中捕获磁通量，并且使场线弯曲成具有靠近磁通引导器118的端部的水平分量。第一铁磁层112仅响应于平面内磁场，因此不直接响应于Z轴磁场。磁通引导器118使Z轴磁场弯曲成水平方向，使得第一铁磁层112可以相应地作出响应。
图8A绘出了两个相邻的典型Z轴TMR元件单元的TMR感测元件单元和磁通引导器的截面图。每个TMR感测元件单元仅包括一个磁通引导器118，其非对称地放置在两个相邻的感测元件单元(即，第一铁磁层112)之间。由于非对称性，在磁通引导器118和较远的感测元件单元之间产生消减效应(这种相互作用在图8A中用(-)符号绘出)。虽然由于与磁通引导器边缘的距离，来自较远的感测元件单元的Z轴场转换(平面内分量)的幅度较小，但是其与相邻的感测元件单元的Z轴场转换的平面内分量相反并从其中消减。
图8B和8C示出了根据本发明的各种实施例的TMR感测元件单元和两种不同类型的Z轴TMR元件单元的磁通引导器的截面图。在图8B中，利用双磁通引导器沟槽118a和118b而不是单个宽磁通引导器118c(图8C)。双磁通引导器沟槽118a和118b对称地位于、部署或沉积在相邻的感测元件单元(即，第一铁磁层112)之间。此外，双磁通引导器沟槽118a和118b(在双磁通引导器沟槽之间具有间隙)覆盖相邻的感测元件单元之间在宽度方向上的整个间隔。这种布置使对感测元件节距、MMT间距和沟槽宽度的要求解耦，从而允许所有这些的最佳使用。在图8C中，宽沟槽磁通引导器118c对称地位于、部署或沉积在相邻的感测元件单元(即，第一铁磁层112)之间，并且覆盖相邻的感测元件单元之间在宽度方向上的整个间隔。虽然在图8B和8C中双磁通引导器沟槽118a和118b以及宽沟槽磁通引导器118被示为在第一铁磁层112的下方，但是双磁通引导器沟槽118a和118b以及宽沟槽磁通引导器118c也可以位于、部署或沉积在第一铁磁层112的上方。在一种实施例中，图8A-8C中所示的磁通引导器用涂覆在沟槽两侧的薄铁磁材料层119制造，以对Z轴磁场作出响应。
图9示出了根据本发明的各种实施例的TMR磁场传感器200的示意图。磁场传感器200包括由经由电压源连接300a连接的电压源300供电的第一桥电路220和由可选的复位场源500供电的第二电路400，该可选的复位场源500可以是经由复位场源连接500a连接的电流源。第一桥电路220包括多个TMR换能器支路210(或多个Z轴TMR换能器支路310)。桥电路220可以是半桥电路、全桥电路或其任何组合。在一种实施例中，桥电路220是具有两个电路分支的惠斯通桥电路，其中在两个分支之间的桥输出信号260在沿着分支的某个中间点处。TMR换能器支路210(或Z轴TMR换能器支路310)电气上用作电阻器，其电阻值响应于内部磁场和外部磁场而变化。每个TMR元件单元100(或Z轴TMR元件单元311)的电流线410以各种布线图案进行布线以形成第二电路400。
图10A和10B绘出了根据本发明的各种实施例的具有被通电的电流线的用于测量磁场的X轴或Y轴的桥电路的示例性示意图。例如，当向图1的电流线410施加复位电流时，在第一铁磁层112上生成具有磁化方向132的磁场脉冲。取决于所施加的电流脉冲的极性，生成的磁场将自由层方向132切换为具有与第二铁磁层的基准磁化方向134正向对准或负向对准的分量。图10A示出了第一铁磁层112中大致正向对准的磁化方向132，并且图10B示出了第一铁磁层112中大致负向对准的磁化方向132。
图11A和11B绘出了根据本发明的各种实施例的具有被通电的电流线的用于测量磁场的Z轴的桥电路的示例性示意图。图11A和11B示出了具有不同感测元件磁化的两个示例性Z轴桥配置。应当理解的是，图11A和11B所示的磁通引导器118仅仅用于一般图示目的。它被称为每个Z轴TMR换能器支路310内的磁通引导器的集合。每个Z轴TMR换能器支路310a、310b、310c和310d也可以具有与图11A和11B所示的图案不同的磁化。
图12绘出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的阵列的示例性结构图。复位线410与第一铁磁层112具有45度交叉角。这种复位线布线将具有相对较低的切换阈值，并且与90度复位线布线相比，只需要一半的复位电流来切换第一铁磁层112的磁化方向。在一种实施例中，为了平衡的感测电流流动，四个感测元件单元可以共享公共基准层(MMT)，由此每个TMR元件单元具有相等的SNR加权。元件单元经由水平链路(例如，图5和图7所示的第一导线124)电连接。每个水平链路124将一行元件内的一对元件与相邻行中的一对元件耦合。
图13示出了根据本发明的各种实施例的X/Y轴TMR元件单元的阵列的第二示例性结构图。复位线410与第一铁磁层112具有90度交叉角。与45度复位线布线图案相比，90度复位线布线图案需要相对较高的复位电流阈值来切换第一铁磁层112的磁化方向，但在一些配置中，90度复位线布线图案更鲁棒。90度复位线布线图案可以用于对TMR传感器有相对较高功率预算的应用。
图14示出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的阵列的示例性结构图。针对最佳沟槽宽度使用双磁通引导器沟槽118a和118b，同时维持TJ节距和间距约束。在一种实施例中，也可以使用单个宽磁通引导器118c(未示出)而不是双磁通引导器沟槽118a和118b的配置。类似于图8B，每行上的Z轴TMR元件单元通过感测元件(即，第一铁磁层112)经由水平链路124电连接到第二铁磁层114(MMT)，第二铁磁层114(MMT)可以以期望图案连接以构建最终的TMR传感器。在一种实施例中，Z轴TMR元件单元的行1030与Z轴TMR元件单元的相邻行1040相比对平面外场(Z轴场)具有相反的响应。例如，行1030的TMR元件单元可能具有增加的电阻响应，但是行1040的TMR元件单元可能具有降低的电阻响应。因此，相同行的TMR元件单元可以捆绑在一起并且充当桥电路220(图9所示)的桥支路(310)或桥支路的一部分。
图15A-15C绘出了根据本发明的各种实施例的Z轴TMR元件单元的阵列的示意性示意图。图15A示出了惠斯通桥电路1100，其中每个桥支路1110、1120、1130和1140表示Z轴TMR元件单元的一行(或多个行)。惠斯通桥电路1100耦合在电压源Vdd和地GND之间，其中对角线桥支路对平面外场(Z轴场)具有相同的响应。中间点m1和m2之间的电压差是惠斯通桥电路1100的输出。惠斯通桥电路1100可以由不同的TMR元件单元交错图案构造。图15B示出了并行交错图案，并且图15C示出了最佳总换能器电阻的较长蛇形路径的并行交错图案。
在图15B中，每个桥支路与图11A和11B中公开的TMR元件单元的一行或各行中并联的一组对应。第一支路1110和第三支路1130在电压源Vdd和地GND之间形成一条路径。第二支路1120和第四支路1140在电压源Vdd和地GND之间形成另一条路径。每个桥支路与TMR元件单元的一行对应。第一支路1110和第三支路1130对平面外场(Z轴场)具有相反的响应。第二支路1120和第四支路1140对平面外场(Z轴场)具有相反的响应。此外，第一支路1110和第二支路1120对平面外场(Z轴场)具有相反的响应。交错图案被设计成确保中间点m1和m2之间的最大输出以及密集的空间填充，而没有先前所述的来自相邻感测元件单元和磁通引导器的消减效应。在一种实施例中，TMR磁场传感器可以包括在电压源和地之间并联耦合的多个这样的交错图案。
在图15C中，每个桥支路与串联连接的TMR元件单元的多行对应，并且在每个桥支路内包括的行数相同。此外，每个桥支路内的TMR元件单元对Z轴磁场具有相同的响应。类似于图15B，四个桥支路1110-1140建立惠斯通桥电路1100，以确保中间点m1和m2之间的最大输出。虽然如图15C所示，每个桥支路由三行TMR元件单元组成，但是应当理解的是，桥支路可以由任何期望的奇数行的TMR元件单元组成。在优选实施例中，桥支路可以包括用于10kΩ量级的桥电路输出电阻的TMR元件单元的行，以便平衡功耗和约翰逊(Johnson)噪声。
图16绘出了根据本发明的各种实施例的具有45度复位电流线的Z轴TMR元件单元的阵列的示例性示意图。复位线410与第一铁磁层112具有45度交叉角。与45度复位线布线图案相比，90度复位线布线图案需要相对较高的复位电流阈值来切换第一铁磁层112的磁化方向。但是，对于一些配置，90度复位线布线图案更鲁棒。90度复位线布线图案可以用于对TMR传感器具有相对较高功率预算的应用。
本领域技术人员将认识到，可以在所描述的体系架构内实现各种实现方式，所有这些实现方式都落入本发明的范围内。例如，可以在TMR磁场传感器中实现各种复位电流线布线和/或通电方法。例如，可以向复位电流线施加双极性复位电流以降低磁传感器的1/f噪声。除了上述实施例中公开的复位电流线布线图案之外，还可以施加双极性复位电流。此外，复位电流线布线图案可以不限于上述图示的实施例。
为了清楚和理解起见，已经描述了对本发明的前述说明。这并不旨在将本发明限制为所公开的精确形式。在应用的范围和等效性内可以进行各种修改。
Claims (20)
1.一种磁场传感器，包括：
多个磁阻感测元件，耦合在一起作为感测磁场的第一电路，其中所述多个磁阻感测元件中的每个磁阻感测元件包括由绝缘势垒层隔开的第一铁磁层和第二铁磁层；以及
导线，耦合到所述多个磁阻感测元件中的第一磁阻感测元件和第二磁阻感测元件的第一铁磁层。
其中所述多个磁阻感测元件中的所述第一磁阻感测元件和第三磁阻感测元件共享公共的第二铁磁层。
2.如权利要求1所述的磁场传感器，还包括：
位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件之间的至少一个磁通引导器。
3.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器包括多个磁通引导器。
4.如权利要求2所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器包括在所述至少一个磁通引导器的两侧上的薄铁磁材料层。
5.如权利要求1所述的磁场传感器，其中，当所述多个磁阻感测元件感测到磁场时，感测电流流过磁阻感测元件的所述第一铁磁层、绝缘势垒层和所述第二铁磁层，并且其中所述感测电流流动的方向垂直于所述导线。
6.如权利要求2所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器对称地位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件之间。
7.如权利要求3所述的磁场传感器，其中所述多个磁通引导器对称地位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件之间。
8.如权利要求6所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器的宽度覆盖所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件之间的整个宽度。
9.如权利要求2所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器位于相对更靠近所述第一磁阻感测元件处。
10.如权利要求2所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的上方或下方。
11.如权利要求3所述的磁场传感器，其中所述多个磁通引导器位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的上方或下方。
12.如权利要求3所述的磁场传感器，其中所述多个磁通引导器中的至少一个磁通引导器包括高磁导率磁性材料。
13.如权利要求1所述的磁场传感器，其中每个磁阻感测元件的所述第一铁磁层包括在磁场中自由旋转的磁化方向，并且其中每个磁阻感测元件的所述第二铁磁层包括固定的磁化方向。
14.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述多个磁阻感测元件包括一个或多个隧道磁阻感测元件、巨磁阻感测元件和/或各向异性磁阻感测元件。
15.如权利要求1所述的磁场传感器，还包括：
包括多个电流线的第二电路，其中所述多个电流线中的每个电流线与所述多个磁阻感测元件中的对应磁阻感测元件相邻。
16.如权利要求15所述的磁场传感器，其中所述多个电流线中的至少一个电流线定位在磁阻感测元件的上方或下方。
17.如权利要求15所述的磁场传感器，其中所述多个电流线中的至少一个电流线定位在相对于所述多个磁阻感测元件中的磁阻感测元件的第一铁磁层成45度交叉角处。
18.如权利要求15所述的磁场传感器，其中所述多个电流线中的至少一个电流线定位在相对于所述多个磁阻感测元件中的磁阻感测元件的第一铁磁层成90度交叉角处。
19.如权利要求10所述的磁场传感器，其中所述至少一个磁通引导器包括第一磁通引导器和第二磁通引导器，其中所述第一磁通引导器位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的上方，并且其中所述第二磁通引导器位于所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的下方。
20.一种磁场传感器，包括：
多个磁阻感测元件，耦合在一起作为感测磁场的第一电路，其中所述多个磁阻感测元件包括位于一个平面中的第一磁阻感测元件和第二磁阻感测元件；以及
多个磁通引导器，其中所述多个磁通引导器中的第一磁通引导器位于所述第一磁阻感测元件的上方或下方，并且其中所述第一磁通引导器定位在所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件之间，
其中所述多个磁通引导器中的每个磁通引导器被配置为将与所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的所述平面正交取向的磁场的一部分引导到所述第一磁阻感测元件和所述第二磁阻感测元件的所述平面中，并且其中所述第一磁通引导器被配置为在第一方向上将所述磁场引导到所述平面中，并且所述多个磁通引导器中的第二磁通引导器被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上将所述磁场引导到所述平面中。
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