CN107561460B

CN107561460B - 磁传感器装置和磁感测方法

Info

Publication number: CN107561460B
Application number: CN201710523414.6A
Authority: CN
Inventors: H.布吕克尔; K.普吕格尔; W.拉贝格; A.扎茨; D.聚斯
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: US10571527B2; CN107561460A; DE102016112008A1; US20180003776A1

Abstract

本公开涉及一种磁传感器装置(300)，所述磁传感器装置(300)包括至少一个磁阻结构(310)。所述磁阻结构包括：磁自由层(316)，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式，和磁参考层(314)，具有非闭合通量参考磁化样式；和磁通量集中器(320)，被配置为增加磁自由层(316)中的外部磁场(330)的通量密度。

Description

磁传感器装置和磁感测方法

技术领域

本公开一般地涉及磁传感器装置和方法，并且更具体地讲，涉及使用磁阻结构的磁传感器装置和方法。

背景技术

磁阻效应包括许多不同物理现象，所有这些物理现象具有这样的共同点：可通过磁场穿透电阻元件的行为来改变电阻元件的电阻。利用磁阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，其中“x”指示可在这里提及的许多效应，仅提到一些示例，比如巨磁阻(GMR)效应、隧道磁阻(TMR)效应或各向异性磁阻(AMR)效应。xMR效应可在各种基于场的传感器中被例如用于测量旋转、角度等。在一些应用中，尤其在与安全相关的应用中，需要这些传感器可靠地并且以高级别的准确性操作。

在一些应用中，传感器可能遭受未知或无法计算的磁场形式的扰动。这些扰动可随机地改变传感器的状态或初始值。由于无论是在测量值之上还是在测量值之下从初始值接近测量值，传感器的滞后行为可导致显著差异，所以滞后可导致测量结果中的误差。具有涡旋配置(闭合通量磁化样式)的自由层的磁xMR传感器概念可具有几乎零滞后。换句话说，可在自由层中存在涡旋形磁化状态(磁场)的情况下实现低滞后，并且在诸如轮速感测、电流感测或线性场感测之类的应用中，低滞后可能尤其引起关注。然而，涡旋形磁化状态可能仅在关于施加的待测量的场的场强度的某个范围中是稳定的。

因此，希望提供一种实现测量结果的提高的准确性和可靠性的传感器元件。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供一种具有至少一个磁阻(xMR)结构的磁传感器装置。所述至少一个磁阻结构包括：磁自由层，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式(例如，涡旋形磁化状态)。另外，磁阻结构包括：磁参考层，具有非闭合通量参考磁化样式。磁传感器装置还包括：磁通量集中器，被配置为增加磁自由层中的外部磁场的通量密度。

xMR结构可例如通过交替磁层和非磁层形成。术语“磁”和“非磁”可在这种情况下被理解为“铁磁”和“非铁磁”。“非磁”层可因此具有顺磁、反磁或反铁磁性质。层可基本上在具有三个两两垂直方向x、y和z的笛卡尔坐标系的两个方向x和y延伸。换句话说，与层在第一和第二方向x和y的延伸相比，层在第三方向z的延伸可能较小。

闭合通量磁化样式随后也可被称为涡旋状态。自发产生的涡旋状态可例如在它产生之后直接形成在自由层中，或者在未施加外部场的情况下形成在自由层中。另一方面，非闭合通量参考磁化样式可对应于具有零旋度和零散度的均匀、笔直或线性磁化场。

在一些示例中，xMR结构的磁自由层具有中心对称形状。换句话说，这个形状可产生于围绕平行于z方向的中心轴线的预定角度的旋转，并且例如包括等角、等边或正多边形(三角形、正方形、六边形等)或椭圆形。可因此促进自发涡旋形成。如果未施加偏置场，则除了其他因素以外，自由层的形状可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。

在一些示例中，磁自由层xMR结构具有旋转对称形状。换句话说，自由层可表现出盘形状。如果使用盘形状，则甚至可进一步促进自发涡旋形成。

在一些示例中，磁自由层的厚度和直径之间的比率处于从1/500到1/5的范围中。可沿着z方向测量厚度，并且在x-y平面中测量直径。如果自由层具有非圆形形状，则直径可对应于例如椭圆形的长轴或短轴，或者对应于多边形的内切圆或外接圆的直径。自由层的厚度和直径之间的比率可提供另一因素，该另一因素可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。通过选择上述范围内的值，可显著减轻涡旋形成。

在一些示例中，自由层的厚度是参考层的厚度的至少三倍。与参考层相比，这可帮助使自由层中的交换偏置效应保持较低，并且传感器的灵敏度可增加。

在一些示例中，磁通量集中器被实现在与磁自由层相同的层中或实现在与磁自由层不同的层(在磁自由层上方或下方的层)中。磁通量集中器和磁自由层之间的接近允许磁自由层中的外部磁场的通量密度高效增加。

在一些示例中，磁通量集中器被配置为增加平行于直线的外部磁场的磁通量密度。换句话说，磁通量集中器的至少部分线性延伸。

在一些示例中，磁通量集中器被配置为增加平行于磁参考层的参考磁化样式的磁通量密度。换句话说，磁通量集中器的至少部分线性地并且平行于磁参考层的参考磁化样式延伸。

在一些示例中，磁通量集中器被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场。

在一些示例中，磁通量集中器被配置为在磁自由层中引起杂散磁场。通过磁通量集中器的适当的几何结构或形状，能够实现这一点。

在一些示例中，磁通量集中器包括通过空隙分离的至少两个部分。磁自由层能够被定位为接近所述空隙，例如位于磁通量集中器的空隙中，位于磁通量集中器的空隙上方，或位于磁通量集中器的空隙下方。

在一些示例中，磁通量集中器包括通过空隙分离的一对相对的伸出部分。所述伸出部分可分别沿着直线线性延伸。

在一些示例中，所述伸出部分平行于磁参考层的(线性)参考磁化样式而延伸。

在一些示例中，磁通量集中器被配置为：在外部磁场的强度超过阈值情况下磁饱和，所述阈值小于闭合通量磁化样式的湮没场强度。换句话说，磁通量集中器被配置为在涡旋被破坏之前磁饱和。

在一些示例中，磁通量集中器包括软磁材料。

在一些示例中，一个或多个软磁通孔结构(例如，专用穿硅通孔(TSV))能够被用作磁通量集中器。

在一些示例中，xMR结构是GMR或TMR结构，GMR或TMR结构中的每个结构能够分别在平面内电流(CIP)或垂直于平面电流(CPP)结构中操作。

根据本公开的另一方面，提供一种磁传感器装置，所述磁传感器装置包括：磁通量集中器；和多个xMR传感器元件，被布置为接近磁通量集中器以用于磁交互。每个xMR传感器元件包括相应磁自由层，所述磁自由层被配置为在相应磁自由层中产生涡旋磁化样式。

在一些示例中，所述多个xMR传感器元件被布置为接近磁通量集中器的材料空隙。

在一些示例中，所述多个磁阻传感器元件的相应磁自由层位于磁通量集中器的材料空隙中，位于磁通量集中器的材料空隙下方，或位于磁通量集中器的材料空隙上方。

根据本公开的再另一方面，提供一种磁感测方法。所述方法包括：通过在磁通量集中器附近布置磁自由层来增加至少一个磁阻结构的磁自由层中的外部磁场的磁通量密度，所述磁自由层包括涡旋磁化样式。

附图说明

将在下面仅作为示例并且参照附图描述设备和/或方法的一些实施例，其中

图1示出在磁涡旋状态下具有自由层的TMR底部自旋阀（BSV）结构的分解视图示例；

图2示出单个盘形自由层元件的示意性滞后回线，示出涡旋表征成核场和湮没场；

图3示出根据示例的磁传感器装置；

图4示出根据另一示例的磁传感器装置；

图5a-c图示磁通量集中器的不同示例性形状；

图6示出示例性磁通量集中器的顶视图；

图7a-c分别图示布置在磁通量集中器的空隙中的多个xMR涡旋传感器元件，

图8示出从通量集中器产生的场(左)和总场(右)，所述总场是从通量集中器产生的场和外部场之和；

图9示出在具有通量集中器的情况下和在没有通量集中器的情况下的涡旋传递曲线的比较(左)以及放大区域的详细视图(右)；

图10图示由通量集中器针对通量集中器的不同层厚度产生的场[T]；

图11图示结合涡旋传感器的通量集中器的第一示例，其中通量集中器被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场；和

图12示出结合涡旋传感器的通量集中器的第二示例，其中通量集中器被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场。

具体实施方式

现在将参照图示出一些示例的附图更充分地描述各种示例。在附图中，线、层和/或区域的厚度可能为了清楚而被夸大。

因此，尽管另外的示例能够具有各种修改和替代形式，但其一些特定示例被示出在附图中并且将在随后详细地描述。然而，这种详细描述不将另外的示例限制于描述的特定形式。另外的示例可覆盖落在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代物。相同的数字在所有附图的描述中始终表示相同或相似的元件，当彼此比较时这些元件可按照相同的方式或按照修改的形式被实现，同时提供相同或相似的功能。

将会理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，所述元件可直接连接或耦合或者经一个或多个中间元件连接或耦合。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应该被以相同的方式解释(仅列出一些示例，例如，“位于…之间”与“直接位于…之间”、“相邻”与“直接相邻”)。

这里使用的术语用于描述特定示例的目的，不意图限制另外的示例。每当使用诸如“一”、“一个”和“该”之类的单数形式并且未明确地或隐含地限定强制仅使用单个元件时，另外的示例也可使用复数个元件实现相同功能。同样地，当功能随后被描述为使用多个元件实现时，另外的示例可使用单个元件或处理实体实现相同功能。还将会理解，当使用时，术语“包含”和/或“包括”指定存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件、部件和/或它们的任何组合。

除非另外定义，否则这里按照示例所属于的领域的所有术语(包括技术和科学术语)的普通含义使用所有术语，除非这里明确地另外定义。

图1示出隧道磁阻TMR传感器元件100的示例，TMR传感器元件100也被称为自旋阀或底部自旋阀(BSV)。TMR传感器元件100具有布置在共同衬底(未示出)上的交替铁磁和非铁磁层的层堆叠110。如果在具有两两垂直坐标轴x、y和z的笛卡尔坐标系中描述，则所述层均在由x和y轴跨越的平面中延伸。沿z方向的层的范围可被描述为层厚度t。

从底部往上，TMR传感器元件100包括反铁磁固定层（pinning layer）111和铁磁被固定层（pinned layer）112。固定层111和被固定层112之间的接触器引起称为交换偏置效应的效应，使被固定层112的磁化沿优选方向对准。换句话说，被固定层112表现出线性磁通量样式，在图1的示例中，所述线性磁通量样式平行于x方向。TMR传感器元件100还包括耦合层113。耦合层113可以是反磁的，并且例如包括钌、铱，铜或铜合金和类似的材料。耦合层113在空间上将被固定层112与铁磁参考层114分离。使用这个设置，参考层114的磁化可对准并且保持在与被固定层112的磁化反向平行的方向。TMR传感器元件100还包括隧道屏障115，隧道屏障115是电绝缘的并且将参考层114与铁磁自由层116分离。自由层116、参考层114和被固定层112在一些实施例中可包括铁、钴或镍，并且在一些另外的实施例中包括这些元素的合金。合金还可包括非铁磁材料，例如碳、硼、氮和氧，其中铁磁材料构成相应层的材料成分的至少50%。例如，各个层可包括钴-铁(CoFe、CoFeB)或镍-铁(NiFe)合金。相比之下，固定层111可包括例如铱、锰、铂或包括这些元素的合金。

当在操作中，或者当耦合到电路时，如果施加恒定外部磁场，则电荷可按照预定量从隧道屏障115的一侧传递到另一侧。TMR效应是量子物理现象，其当外部磁场的方向改变时以经过隧道屏障的电荷的量的改变表示本身。由于由改变外部磁场而引起的自由层170的磁化的方向改变，可产生这种效应。

图1中的自由层116具有圆形形状，或者换句话说，具有盘状结构。所述盘具有直径d，直径d可例如处于几百nm到10 µm的范围中。所述盘还具有例如10 nm到300 nm的范围中的厚度t。所述厚度可以是参考层114的厚度的至少3倍。提供具有旋转对称结构的层可导致在自由层116中自发形成闭合通量磁化样式。根据自由层116的精确形状，闭合通量磁化样式可例如至少部分地包括Landau样式、圆周样式、涡旋样式或任何前述样式的组合。Landau样式至少部分地包括多边形状闭合形状，而圆周样式可包括更平滑、更圆的闭合形状。纯涡旋样式可基本上是圆形的。然而，平面内闭合通量磁化样式可包括前述样式的任何组合。此外，磁化样式的闭合磁化线可完全根据任何前述样式确定形状，但也可包括遵循不同闭合通量磁化样式的区段。不同类型的闭合通量磁化样式也可通常被称为涡旋。换句话说，通过选择例如30 nm到300 nm的范围中的盘厚度t以及500 nm和5 µm之间的盘直径d，可获得涡旋状态。在消失外部磁场中，涡旋的中心可基本上位于磁自由层116的中心，以使得相应磁自由层的净磁化基本上消失。

受益于本公开的技术人员将会理解，涡旋自旋阀结构不限于TMR效应。能够使用巨磁阻(GMR)结构或基于其它xMR效应实现本公开的其它示例。

具有涡旋配置的自由层的磁xMR传感器概念可具有几乎零滞后，所述几乎零滞后可在诸如轮速感测或电流感测之类的应用中尤其引起关注。低滞后的先决条件可以是存在涡旋状态。可描述涡旋状态存在所依照的体系的关键参数是涡旋成核的成核场H_n和涡旋被再次破坏的湮没场H_an。

图2描述单个盘形自由层元件的示意性滞后回线，示出了涡旋特性成核场H_n和湮没场H_an。标绘出磁化M_x/M_s对外部场的正则化平面内分量(或x分量)，其等同于相应自旋阀结构的传感器信号。其中，可区分两个不同工作范围。工作范围A或涡旋形成范围210由成核场H_n+和H_n-定义，并且可不受磁历史影响，因为可总是确保涡旋成核。工作范围B或涡旋湮没范围220由湮没场H_an+和H_an-定义，并且只要不超过工作范围B或涡旋湮没范围220(例如，被具有磁场脉冲形式的干扰超过)，就可保持涡旋状态。换句话说，通过改变外部磁场，磁化m_x/M_s的平面内分量可沿着曲线230移动。然而，在超出涡旋湮没范围220的事件之后，可能需要“重置”以便通过将外部场强度减小至涡旋形成范围210内的值来重新形成涡旋结构。在所述事件和涡旋重新形成之间，磁化m_x/M_s的平面内分量可遵循滞后曲线240-1、240-2。

如果外部场超过湮没场，则涡旋被破坏。需要将场减小至低于成核场以重新形成涡旋。从图2能够推断出，成核场能够接近零。因此，如果在应用中由于各种原因而导致施加的场从不接近零(例如，以总是大于(H_n)的量值施加旋转场)，则涡旋不再形成。

xMR涡旋传感器相对于椭圆形/矩形元件能够具有多个优点(诸如，小的滞后)，它们能够基本上没有抖动并且对横向偏置场(B_y)不敏感。另一方面，xMR涡旋传感器可具有相当适度的灵敏度。而涡旋传感器的较低灵敏度能够被视为优点，因为这可固有地导致大线性体系，各种应用需要尽可能高的灵敏度。通常，通过减小层厚度t或增加盘116的直径d，能够增加涡旋传感器的灵敏度。磁自由层116的厚度和直径之间的比率可例如处于从1/500到1/5的范围中。替代地，具有较低饱和磁化的磁性材料能够被用于盘116。然而，这些方案能够导致减小的成核场H_n，这可导致涡旋不再可靠地形成。此外，湮没场H_an可减小，这可导致涡旋被破坏并且不再成核。

例如，通过增加元件的尺寸，能够增加常规椭圆形或矩形xMR元件的灵敏度。然而，由于磁域样式的混乱形成，这可导致增加的域抖动。替代地，通过更接近一的宽高比，能够减小椭圆形元件的形状各向异性。然而，这个方案可导致作为偏置场B_y的函数的传递曲线的强相关性。

本公开通过使用磁通量集中器(FC)来解决前述问题。这可允许增加xMR涡旋传感器的灵敏度，而不显著减小成核和湮没场。磁通量集中器能够包括软磁(高磁导率)材料以通过在xMR涡旋传感器的位置增加磁通量来提高关联的xMR涡旋传感器的灵敏度。

图3示意性地图示根据示例的磁传感器装置300。

磁传感器装置300包括至少一个xMR涡旋传感器元件310，所述至少一个xMR涡旋传感器元件310包括：磁自由层316，被配置或形成为在自由层316中产生闭合通量(涡旋)磁化样式；和磁参考层314，具有非闭合通量参考磁化样式，例如平行于x轴的线性参考磁化样式。磁传感器装置300还包括磁通量集中器320，磁通量集中器320被配置为增加或放大磁自由层316中的外部磁场330的通量密度。磁通量集中器320具有厚度(沿z方向)t_FC。

受益于本公开的技术人员将会理解，磁传感器装置300能够被用于执行磁感测方法，所述磁感测方法包括：通过在磁通量集中器附近布置磁自由层来增加至少一个磁阻涡旋传感器的磁自由层中的外部磁场的磁通量密度。

通量集中器320能够包括软磁(例如，含铁)材料，软磁材料用于引导外部磁场330靠近或通过磁自由层316并且因此增加布置在通量集中器320附近的xMR涡旋传感器元件310的灵敏度。当通量集中器320被放置在xMR涡旋传感器元件310附近时，外部磁场330能够通过通量集中器320，由此增加集中器320和xMR涡旋传感器元件310或它的磁自由层316之间的通量密度。因此，本公开提出使用通量集中器来放大外部磁场330，外部磁场330可由例如偏置磁体或磁测量物体(例如，齿轮、凸轮轴、曲轴等)本身产生。

结合涡旋传感器310的通量集中器320的优点在于：通量集中器(例如，它的材料和/或形状)能够被以一种方式设计，使得仅小于湮没场H_an的场330被显著放大并且接近涡旋传感器310的湮没场H_an的场使通量集中器320饱和，因此不会导致外部场330的进一步放大。换句话说，磁通量集中器320能够被配置为在外部磁场330的强度超过预定义阈值的情况下磁饱和，所述预定义阈值小于涡旋磁化样式的湮没场H_an。换句话说，磁通量集中器320能够被配置为使得磁自由层316中的外部磁场的(放大的)通量密度从不超过湮没场。在一些示例中，如果外部磁场330变得大于湮没场H_an的60%或80%，则磁通量集中器320能够进入磁饱和。通过针对通量集中器320采用适当的材料和/或几何结构，能够实现这一点。受益于本公开的技术人员将会理解，通量集中器320的材料和/或几何结构将会取决于磁传感器装置300的应用。因此，外部场330仅在放大有益的体系中被放大。将会破坏涡旋传感器的较大的场不被放大，或者仅被稍微放大。因此，能够设计可靠的高灵敏度涡旋传感器装置。

可设想用于实现磁通量集中器320的各种选项。例如，磁通量集中器320能够被实现为与xMR涡旋传感器元件310分离的模块，或者磁通量集中器320能够被与xMR涡旋传感器元件310实现在同一模块中和/或实现在同一衬底(例如半导体衬底)上。在图3中图示的示例中，磁通量集中器320被实现在xMR涡旋传感器元件310的磁自由层316上方。在一些示例中，磁自由层316上方的(层堆叠的)一个或多个材料层能够被用于实现磁通量集中器320。受益于本公开的技术人员将会理解，磁通量集中器320和xMR涡旋传感器元件310之间的其它几何关系也是可能的。例如，取决于设想的应用，磁通量集中器320也能够被实现在xMR涡旋传感器元件310的下方或旁边。在图4中图示的示例中，使用共同衬底上的层堆叠的同一材料层实现磁自由层316和磁通量集中器320。也就是说，磁自由层316和磁通量集中器320甚至可被实现在包括铁磁和非铁磁层的层堆叠的同一层中。

图3和4的示例性磁通量集中器320、320’包括第一和第二线性延伸的棒状或杆状部分322、324。通量集中器部分322、324平行于形成xMR涡旋传感器元件310的层堆叠的层而延伸，以便增加平行于与部分322、324共线延伸的直线的外部磁场330的磁通量密度。在图3和4中图示的示例中，磁通量集中器320被配置为增加平行于磁参考层314的参考磁化样式(沿x方向)的磁通量密度。伸出状部分322、324通过空隙340分离，空隙340可以是气隙。通过空隙340，磁通量集中器320能够被配置为在盘形磁自由层316中引起杂散磁场。尽管在图3的示例中磁自由层316位于空隙340之外(这里：位于空隙340下方)，但磁自由层316在图4的示例中位于空隙340内。在两个示例中，磁自由层316对伸出部分322、324之间的杂散场的x分量敏感。

图5a-c图示磁通量集中器的一些可能的形状。图5a示出具有一对棒形杆522、524的棒形磁通量集中器520。棒522、524中的每个具有宽度w和长度l。使棒522、524分离的空隙540具有宽度g，在一些示例中，宽度g能够处于10–200 µm的范围中。图5b示出具有相对的一对T形部分522’、524’的T形磁通量集中器520’。T形部分522’、524’中的每个具有设计参数w1和w2，其中w1表示主干部分的宽度并且w2表示横杆部分的宽度。图5c示出具有相对的一对三角形部分522”、524”的三角形磁通量集中器520”。部分522”、524”中的每个具有设计参数w1和w2，w1表示面对空隙的较小末端部分的宽度，w2表示背离空隙的较宽末端部分的宽度。

磁通量集中器620的另一可能的设计被示出在图6中。磁通量集中器620稍微类似于图5b的T形磁通量集中器520’。然而，在图6的示例中，在主干部分622-1、624-1和关联的横杆部分622-2、624-2之间存在平缓的圆形过渡。这种几何结构能够导致磁通量朝着主干部分622-1、624-1之间的空隙640的连续增加。如前所述，一个或多个涡旋传感器能够被放置在空隙640内部，放置在空隙640下方，或放置在空隙640上方，在这个特定示例中，空隙640具有60 µm的宽度。当然，在其它示例中，空隙640的尺寸可以是不同的。

图7图示磁通量集中器720、720’和xMR涡旋传感器元件710的2维阵列的各种示例性布置，所述xMR涡旋传感器元件710的二维阵列被布置在空隙740内，布置在空隙740下方，或者布置在空隙740上方，所述空隙740在磁通量集中器720、720’的相对部分722、724或722’、724’之间。在图7a的示例中，磁通量集中器720使沿x方向的通量密度增加。在图7b的示例中，磁通量集中器720’使沿y方向的通量密度增加。在图7c的示例中，磁通量集中器使沿x和y两个方向的通量密度都增加。

图11和12图示结合涡旋传感器的通量集中器的两个另外的示例。在两个示例中，相应通量集中器1120或1220被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场。在图示的示例中，施加的外部场沿z方向，而参考磁化沿x方向。

在图11的示例中，棒状通量集中器1120沿z方向(即，平行于施加的外部磁场1130)延伸。换句话说，通量集中器1120的纵轴沿着z方向延伸，而涡旋传感器的自由层1116位于x-y平面中并且因此平行于涡旋传感器的参考磁化。自由层1116被定位为水平移位到通量集中器1120的侧面和底面之间的边缘1126。由于沿x方向的移位，在边缘1126产生的杂散场1135的x分量将会穿透到自由层1116中。

图12中示出的棒状通量集中器1220相对于z方向和x方向倾斜延伸。换句话说，它的纵轴在x方向和z方向具有分量。自由层1216位于通量集中器1220的端面附近。通量集中器1220沿着它的纵轴集中所施加的外部磁场1230的磁通量(在z方向)。因此，集中的磁通量也具有穿透自由层1216的x分量。

需要注意的是，例如，能够使用通过半导体材料的一个或多个通孔实现通量集中器1120或1220。

能够在图8中看到通量集中器的基本工作原理。在图示的示例中，沿x方向施加外部场。从图8(左)，能够看出，小的外部场基本上被线性放大。然而，如果场超过大约B_x >0.01 T，则通量集中器开始饱和并且产生(或放大)的场也饱和。因此，在图示的示例中，对于场B_x > 0.01 T，所述放大被显著减小。因此，可设计一种通量集中器，该通量集中器仅放大小于湮没场的场。通过通量集中器的厚度能够例如很好地控制放大的场范围，如图10中所示。对于大且厚的结构，饱和场主要是所使用的材料的函数。例如对于坡莫合金(Ni81Fe19)，实际值可相对较低，并且对于例如基于CoFe的合金，实际值可较高。图8(右)示出总场，所述总场是外部场和由通量集中器产生的场之和。此外，在这里能够看出，对于B_x> 0.01 T，所述放大被减小。

在下面，提出的原理被应用于具有图9中所示的滞后的涡旋传感器。在通量集中器的空隙内部放置涡旋传感器。涡旋传感器的原始传递曲线在图9中(左)由曲线910示出，曲线910指示仅导致适度灵敏度的高达大约50 mT的线性体系。由于通量集中器，灵敏度提高到大约5倍。通量集中器涡旋传感器的灵敏度是大约10%/mT。最重要地，通量集中器对湮没场的影响较小，如图9中所示(左)。H_an从大约80 mT减小到大约60 mT。因此，灵敏度提高至5倍，而湮没场仅减小大约25%。

受益于本公开的技术人员将会理解，存在许多可能方案用于优化通量集中器，诸如几何结构和材料。在图10中指示用于优化的一个简单路径。在图10中，图6的通量集中器的厚度t_FC从t_FC = 1µm变化到t_FC = 10 µm。随着增加通量集中器的厚度，放大因子能够增加。另外，通量集中器的饱和场随着通量集中器的层厚度而增加。这允许调节和优化通量集中器以便满足涡旋传感器的要求。

本公开的示例允许在需要的情况下放大针对涡旋传感器的磁场，并且能够阻挡太高的场以便避免破坏涡旋传感器。本公开的示例可被用于轮速传感器、角度传感器和其它磁场传感器，诸如例如用于生物应用。通常，本公开的示例能够被用于需要磁场传感器的高灵敏度的任何应用。

与一个或多个以前详述的示例和附图一起提及和描述的方面和特征也可与一个或多个其它示例组合以便替换其它示例的相同特征，或者以便另外将所述特征引入到其它示例。

描述和附图仅仅说明本公开的原理。因此，将会理解，本领域技术人员将会能够设计各种设备，虽然未在这里明确地描述或示出，但所述各种设备实现本公开的原理并且被包括在本公开的精神和范围内。另外，这里叙述的所有示例主要明确地旨在仅用于教学目的以帮助阅读者理解本公开的原理和由（一个或多个）发明人为了促进本领域而贡献的构思，并且应该被解释为不限于这种具体叙述的示例和条件。此外，这里叙述本公开的原理、方面和示例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其等同物。

应该理解，在说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开可以不被解释为在特定次序内，除非例如由于技术原因而明确地或隐含地另外指出。因此，多个动作或功能的公开将不会将这些限制于特定次序，除非这种动作或功能由于技术原因是不可互换的。另外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可分别包括或者可被分解为多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。除非明确地排除，否则这种子动作可被包括并且可以是这个单个动作的公开的一部分。

另外，下面的权利要求因此被合并到详细描述中，其中每个权利要求可独立用作单独的示例。尽管每个权利要求可独立用作单独的示例，但应该注意的是，虽然从属权利要求可在权利要求中表示与一个或多个其它权利要求的特定组合，但其它示例多个示例还可包括所述从属权利要求与每个其它从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。除非指出不预期特定组合，否则这里明确地提出这种组合。另外，还意图将权利要求的特征包括到任何其它独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims

1.一种磁传感器装置，包括：

至少一个磁阻结构，包括

磁自由层，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式，和

磁参考层，具有非闭合通量参考磁化样式；和

磁通量集中器，被配置为增加磁自由层中的外部磁场的通量密度并且在所述外部磁场的强度超过阈值情况下磁饱和，所述阈值小于闭合通量磁化样式的湮没场，

其中所述闭合通量磁化样式独立于磁通量集中器而形成。

2.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层具有中心对称形状。

3.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层具有旋转对称形状。

4.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层的厚度和直径之间的比率处于从1/500到1/5的范围中。

5.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层的厚度是参考层的厚度的至少3倍。

6.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被实现在与磁自由层相同的层中或实现在与磁自由层不同的层中。

7.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为增加平行于直线的外部磁场的磁通量密度。

8.如权利要求7所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为增加平行于磁参考层的参考磁化样式的磁通量密度。

9.如权利要求7所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为将垂直于磁参考层的参考磁化样式的磁场变换成平行于参考磁化样式的磁场。

10.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为在磁自由层中引起杂散磁场。

11.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器包括空隙，并且其中磁自由层位于磁通量集中器的空隙中，位于所述空隙下方或位于所述空隙上方。

12.如权利要求11所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器包括通过空隙分离的一对相对的伸出部分。

13.如权利要求12所述的磁传感器装置，其中所述伸出部分平行于磁参考层的参考磁化样式而延伸。

14.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为：在外部磁场的强度超过阈值的情况下磁饱和，所述阈值小于闭合通量磁化样式的湮没场。

15.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器包括软磁材料。

16.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁阻结构是GMR或TMR结构。

17.一种磁传感器装置，包括：

磁通量集中器；和

多个磁阻传感器元件，被布置在磁通量集中器附近，每个磁阻传感器元件包括相应磁自由层，所述相应磁自由层被配置为在所述相应磁自由层中产生涡旋磁化样式，

其中所述磁通量集中器被配置为增加所述相应磁自由层中的外部磁场的通量密度并且在所述外部磁场的强度超过阈值情况下磁饱和，所述阈值小于涡旋磁化样式的湮没场，

其中所述涡旋磁化样式独立于磁通量集中器而形成。

18.如权利要求17所述的磁传感器装置，其中所述多个磁阻传感器元件被布置在磁通量集中器的材料空隙附近。

19.如权利要求18所述的磁传感器装置，其中所述多个磁阻传感器元件的所述相应磁自由层位于磁通量集中器的材料空隙中，位于磁通量集中器的材料空隙上方，或位于磁通量集中器的材料空隙下方。

20.一种磁感测方法，包括：

增加至少一个磁阻结构的磁自由层中的外部磁场的磁通量密度，所述磁自由层包括涡旋磁化样式，

其中增加所述磁通量密度包括在磁通量集中器附近布置所述磁自由层使得所述磁通量集中器所述外部磁场的强度超过阈值情况下磁饱和，所述阈值小于涡旋磁化样式的湮没场，

其中所述涡旋磁化样式独立于磁通量集中器而形成。