CN110531287A - 一种磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁传感器。所公开的实施例涉及实现斩波技术和相关结构来抵消隧穿磁阻(TMR)场传感器中的磁1/f噪声作用。TMR场传感器包括：第一桥电路，其包括用于感测磁场的多个TMR元件；以及第二电路，其用于向各TMR元件施加双极电流脉冲。电流线连续地或顺序连接到场源，以接收双极电流脉冲。场传感器具有包括响应于双极脉冲的高输出和低输出的输出。此不对称响应允许进行场传感器中的1/f噪声减小的斩波技术。

Description

一种磁传感器
本分案申请是基于申请号为201580026554.1，申请日为2015年3月13日，发明名称为“一种磁传感器”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及磁场传感器的场，更具体地涉及减小磁场传感器中的噪声和偏移的方法。
背景技术
磁场传感器常用于诸如计算机、便携式计算机、媒体播放器、智能电话等各种电子装置。存在可用于检测磁场的许多技术/装置。隧穿磁阻(TMR)由于它相比于其他磁传感器而言在灵敏度、功率和处理成本方面有优势，导致它是有前途的用于手持机应用的磁感测技术。磁场感测中的另一种密切相关技术是巨磁阻(GMR)。
TMR元件由通过非磁性、绝缘隧道势垒分隔的两个铁磁层组成。一个层具有“自由”地在磁场中旋转的磁化方向。另一个层具有“固定的”参考磁化，该参考磁化在所感测关注的中等至低强度的磁场中时不旋转。如果这两个层的磁化方向彼此平行，则隧道势垒的电阻低。相反地，当磁化方向反平行时，电阻高。基于TMR的磁场传感器因此通过电阻改变将磁场转换成电信号，该电阻改变是由于磁自由层相对于固定层的角度响应于场而改变所导致的。
在这种类型的传感器中，因层中的一个或两个中的区域的磁取向波动造成磁1/f噪声。这些波动形成在目标信号中作为噪声出现的不同时标处的电阻改变并且不可被简单过滤出。1/f噪声(也被称为粉红噪声)是具有与信号频率成反比的频谱密度(能量或功率/Hz)的信号或波动处理。另外，还会因任一磁性膜中的区域的磁取向的差异而形成零场偏移，该差异可取决于传感器中的温度或应力。
因此，将期望的是具有有效减小TMR磁场传感器中的1/f噪声和偏移的系统、装置和方法。
发明内容
本发明的某些实施例提供了使用特有的双极斩波(chopping)技术来抵消TMR传感器内的1/f噪声和偏移作用的系统、装置和方法。如之前描述的，TMR磁场传感器中存在磁1/f磁噪声并且该噪声可减弱这些传感器的性能和灵敏度。在用于围绕和运动感测应用的低频(<100Hz)下，1/f磁噪声作用变得显著。该噪声表明TMR传感器桥的零场偏移的低频弯曲(meander)，从而降低精度。
根据本发明的各种实施例，实现斩波技术和相关结构来抵消TMR场传感器内的磁1/f噪声作用和偏移。TMR场传感器包括第一桥电路，第一桥电路包括被配置成感测磁场的多个TMR元件。各TMR元件包括通过非磁性、绝缘隧道势垒分隔的第一铁磁层和第二铁磁层。TMR场传感器还包括第二电路，第二电路被配置成与TMR元件中的每个相邻地施加双极电流脉冲。
在某些实施例中，第二电路包括与第一桥电路的各TMR元件的第二(固定)铁磁层相邻地布置的多个内置电流线。所述电流线连续或顺序地连接到场源并且向所有电流线施加所述双极电流信号。当施加双极电流脉冲时，在第一(自由)铁磁层上生成磁场脉冲。根据所施加电流脉冲的极性，所生成的磁场将第一自由铁磁层切换成第一或第二对准(alignment)。
当与TMR元件中的每个相邻施加双极电流脉冲时，自由层取向切换成与电流脉冲极性对准。在脉冲完成之后，针对自由层对准的该极性，测量传感器输出。在各自由层极性处测得的所测得传感器输出信号没有改变符号，但磁1/f噪声作用和偏移改变符号。这个不对称响应允许斩波技术，在该技术中，以所期望的输出数据速率的至少两倍的重复速率，在第一时间段中在第一方向上施加磁场，然后在第二时间段中向第二方向施加磁场。这两个时间段的传感器输出信号被组合，因此相长地添加了磁场感测信号，但是1/f噪声和偏移作用被抵消。在一个实施例中，在所述第一方向和所述第二方向上施加的磁场与自由铁磁层完全对准。在另一个实施例中，针对所期望(或更好的)切换分布，在所述第一方向和所述第二方向上施加的磁场与自由铁磁层成偏移角度取向对准。
本发明的所有方面也将应用于基于GMR的装置。这里公开的本发明还应用于利用用于感测磁场的软磁膜的任何磁感测技术(例如，AMR、磁通门、具有磁通集中器的Hall)。为了简便和清晰起见，将使用TMR技术作为示例在本文献中描述本发明。
附图说明
将参照附图中示出的本发明的示例性实施例。这些附图旨在是例证性的，而非限制性的。虽然本发明一般是在这些实施例的背景下描述的，但不旨在通过这样做将本发明的范围限于所描绘和描述的实施例的特定特征。
图1是根据本发明的各种实施例的TMR磁场传感器的示例性结构概况。
图2是根据本发明的各种实施例的单个TMR元件的剖视图。
图3是根据本发明的各种实施例的两种不同斩波状态的示例性图。
图4是根据本发明的各种实施例的用于Z轴的桥电路的示例性图。
图5是根据本发明的各种实施例的示例性控制电流信号。
图6是根据本发明的各种实施例的示例性传感器输出信号。
图7是根据本发明的各种实施例的验证测量结果的图。
图8是根据本发明的各种实施例的用于顺序重置和控制逻辑的多工(多路复用)H桥的示例性图。
图9是根据本发明的各种实施例的读取链的示例性图。
本领域的技术人员将认识到，可按照说明书实践本发明的各种实现方式和实施例。所有这些实现方式和实施例旨在被包括在本发明的范围内。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，阐述具体细节以提供对本发明的理解。然而，本发明可在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践。以下描述的本发明的实施例可被并入多个不同的电子部件、电路、装置和系统中。用框图示出的结构和装置是本发明的示例性实施例的例证并且将不被用作模糊本发明的广义教导的托词。附图内的部件之间的连接不旨在限于直接连接。相反，可对部件之间的连接进行修改、重新格式化、或以其他方式通过中间部件进行改变。
当说明书引用“一个实施例”或“实施例”时，旨在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料实施例中。因此，说明书中的不同地方出现短语“在一个实施例中”没有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诸如计算机、便携式计算机、媒体播放器、智能电话、可穿戴电子器件等各种电子装置中使用的TMR磁场传感器中的1/f噪声减小和偏移减小。TMR磁场传感器和其中的单个TMR元件可被集成在单个部件上或者包含分立的部件。此外，本发明的实施例可应用于多种多样的技术和方法。
图1示出根据本发明的各种实施例的TMR磁场传感器100的示意图。磁场传感器100包括由电压源300供能的第一桥电路200、由可选的稳定场源500供能的第二电路400。在一个实施例中，场源500是电流源。第一桥电路200包括多个TMR元件210。桥电路200可以是半桥电路、全桥电路、或其任何组合。在一个实施例中，第一桥电路200是具有两个电路分支的桥电路，这两个分支之间的桥输出信号260处于沿着分支的某个中间点。
图2示出根据本发明的各种实施例的单个TMR元件210的剖视图。TMR传感器210由通过非磁性、绝缘隧道势垒216分隔的第一铁磁层212和第二铁磁层214。在一个实施例中，第一层212具有在磁场中自由旋转的磁化方向232。第二层214具有当在磁场中时不旋转的固定参考磁化方向234。如果这两个层的磁化方向彼此平行，则隧道势垒216的电阻低。相反地，当磁化方向反平行时，电阻高。TMR元件因此通过由于磁自由层相对于固定层的角度响应于磁场而改变所导致的电阻改变，将磁场转换成电信号。铁磁层212和214可由诸如Ni、Fe或其合金的任何合适铁磁材料形成。绝缘隧道势垒216可由诸如AlOx、MgOx、ZrOx、TiOx、HfOx、或其任何组合的绝缘体材料组成。
在一个实施例中，第一铁磁层212通过第一接触件222连接到第一导电线224，第二铁磁层214通过第二接触件226连接到第二导电线228，第二接触件226可从第二铁磁层上方以及下方接触。
在一个实施例中，第二电路400包括与各TMR元件210的第二铁磁层214相邻地布置的多个内置电流线410。电流线410被连接，使得对用于各TMR元件210的电流线施加电流脉冲。根据各种实施例，电流线410的连接可以是连续的、顺序的或时间多路复用的。在另一个实施例中，电流线也可与第一铁磁层212相邻地布置，或者与各TMR元件210的第一铁磁层和第二铁磁层二者相邻地布置。第一铁磁层212被图案化成具有长短轴的形状。在零磁场中，第一铁磁层212的磁化方向沿着元件的长轴设置并且可沿着该轴在两个方向中的任一个方向上定向。通过向电流线410施加控制电流信号，在电流线周围的周遭区域中，产生感应磁场。由于第一层212具有自由地旋转和切换的磁化方向232，因此磁化方向232将切换成在感应磁场的作用下沿着投影到其轴上的方向。作为图2中的示例性例证，当电流线410中的电流具有指向外的方向时，磁化方向232指向左，具有与参考磁化方向234负对准的分量，并且将把自由层切换成向左；当电流线410中的电流具有指向内的方向时，磁化方向232指向右，具有与参考磁化方向234正对准的分量，并且将把自由层切换成向右。
图3示出根据本发明的各种实施例的用于X-Y轴磁感测的桥电路的两种不同斩波状态的示例性图。当向电流线410施加电流脉冲时，在第一铁磁层上生成具有磁化方向232的磁场脉冲。根据所施加的电流脉冲的极性，所生成的磁场将自由层方向232切换成具有与第二铁磁层的参考磁化方向234正或负对准的分量。
图3的(A)示出第一铁磁层212中的大体正对准的磁化方向232并且图3的(B)示出第一铁磁层212中的大体负对准的磁化方向232。在一个实施例中，所生成磁化方向232和参考磁化方向234之间的交叉角度在正对准时是45度或者在负对准时是225度。以上的交叉角度是出于清晰和理解的示例性目的描述的。交叉角度可以在正对准时是0和±90之间的任何角度或者在负对准时是180和270之间的任何角度。这里，图被简化，因此各感测元件可表示感测元件的阵列。
图4是根据本发明的各种实施例的用于Z轴磁感测的桥电路的两种不同斩波状态的示例性图。对于Z轴磁感测，各TMR元件对至少一个磁导(flux guide)218进行积分。磁导218是在各相应桥腿中的由高磁导率材料制成的高纵横比的垂直杆，该杆具有终止于磁感测元件的对向边缘的端部。在一个实施例中，磁导可在第一(自由)铁磁层212上方和/或下方移位。磁导从在Z方向上取向的施加场采集磁通，并且弯曲场线，以具有靠近磁导端部的水平分量。图4的(A)示出所生成磁化方向232和参考磁化方向234之间的+90度交叉角度并且
图4的(B)示出-40度交叉角度。
图5是根据本发明的各种实施例的示例性控制双极电流信号600。重置/稳定场源500被配置成生成所期望的控制电流(诸如，如图4中所示的示例性控制双极电流信号600)并且将其施加到电流线410。双极电流信号600是包括正部分610(+I_stab)和负部分620(-I_stab)的周期信号。在一个实施例中，双极电流信号600还包括正重置脉冲611(+I_reset)，正重置脉冲611处于正部分610的开始，用于切换磁化方向。在一个实施例中，双极电流信号600还包括负重置脉冲621(-I_reset)，负重置脉冲621处于负部分620的开始，用于切换相反方向的磁化方向。
根据输出速率、功率和噪声要求，正/负重置脉冲611/621可以是正/负部分的10至1M或更多倍。正/负部分610/620可取任何值，在某些情形下，所述值包括零。在一个实施例中，正部分610等于负部分620。在另一个实施例中，正部分610不同于负部分620。
在一个实施例中，双极电流信号600与各占电流信号600的每个周期的50％的正部分610和负部分620对称。在一个实施例中，双极电流信号600与占电流信号600的每个周期的不同百分比的正部分610和负部分620不对称。在另一个实施例中，可存在单个I重置脉冲和随后的一长串的+I重置脉冲，其中，取样的初始测量与各+I重置脉冲后的各后续测量相加。对于1/f噪声最小化，以磁场传感器100的桥输出信号260的所期望输出数据速率的至少两倍的速率施加双极电流信号600。图5中的双极电流信号600的10毫秒周期是出于示例性目的，并不旨在将本发明限于所公开的精确形式。为了实现偏移相减和不对称周期，可实现初始测量阶段。
图6示出根据本发明的各种实施例的响应于图4中的所施加双极电流信号600的示例性桥输出信号260。桥输出信号260具有响应于正部分610(+I_stab)和负部分620(-I_stab)的高输出261和低输出262。桥输出信号260不对称地响应对称双极电流信号600。在一个实施例中，高输出261和低输出262均为正。在另一个实施例，高输出261为正并且低输出262为负。对于这个示例性情况下所施加的场，正输出261具有比负输出262高的绝对电压值。结果，输出信号260具有整体平均的场依赖值，尽管双极电流信号600对称并且具有零平均值。在典型电路实现方式中，两个值将被取样和保持并且被加到一起，生成输出信号。只要双极电流信号600以磁场传感器100的桥输出信号260的所期望输出数据速率的至少两倍的速率施加，双极电流信号600的实现就不干扰磁场传感器100的正常操作输出。
图7示出根据本发明的各种实施例的延长时间段内的验证测量结果的图。该图包括用于生成正信号序列271(Vpos)的单个信号261的许多样本，包括用于生成负信号序列272(Vneg)的负信号262的许多样本，以及总信号(Vtot)。在图6中，Y轴是与恒定DC电压相减的偏移，以使所有结果拟合到单个精准图线上。在各重置脉冲之后的一定延迟后，取正信号271和负信号272的各点，以消除转变时的鸣响(ringing)。正信号和负信号在低频下精准地反相。因此，总信号273用彼此抵消的正信号271和负信号272识别显著减小的1/f噪声作用。
图8示出根据本发明的各种实施例的用于顺序重置和控制逻辑的多工H桥电路800。多工H桥电路800形成用于各TMR元件210的电流线410的多个单H桥电路。多工H桥电路800包括用于控制电流线410中的电流流动路径的多个晶体管810。例如，p1晶体管和n1晶体管可闭合，因此电流线410中的电流可遵循第一重置路径801，然后p2和n2可闭合，以此类推，以允许其余电流线有类似的顺序重置路径。随后，在p2和n0的这种情况下，通过控制所期望晶体管组合的断开/闭合，创建相反方向上的第二重置路径。在一个实施例中，单独地(顺序地)控制各电流线410的电流路径。在另一个实施例中，所有电流线410的电流路径被一齐控制为针对所有电流线的单个联合电流路径。通过正确控制多工H桥电路的逻辑，磁场传感器将能够执行第一重置脉冲序列之后的第一测量，存储第一测量值，执行第二重置脉冲序列之后的第二测量，存储第二测量值，对两个测量值进行求和以生成总输出。图8中示出的混合H桥电路可容易地扩大或缩小，以适应各种数量的电流线和晶体管。多工H桥电路800仅仅用于示例性目的。在申请的范围和等同范围内，可以进行混合H桥电路的各种修改。
图9示出根据本发明的各种实施例的示例性读取链。读取链900包括多个部件，包括磁双极重置断续器(chop)910、磁传感器920、电断续器930、低噪声放大器(LNA)940、模数(A/D)转换器950、电解断续器(dechop)960、磁解断续器970等。电断续器930、低噪声放大器(LNA)940、A/D转换器950和电解断续器960形成读取链的电部分902，读取链还可包括用于轴多工(axes muxing)、下采样、求平均等的部件。在一个实施例中，磁双极重置断续器910在1～50,000Hz频率范围中操作，电解断续器960在40kHz频率下操作，但一般是磁断续器频率的两倍，并且磁解断续器970匹配磁双极重置断续器910的频率。在另一个实施例中，以上部件还可根据应用，以其他操作频率或次序工作。断续器-解断续器对可形成采样保持电路，该采样保持电路允许各状态下进行信号求和，从而生成如图7中的传感器输出273。
本领域的技术人员将认识到，可在所描述的配置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，可调节各种参数，以最大程度地消除TMR磁场传感器中的1/f噪声。这些参数中的一些包括重置脉冲宽度和幅度、双极电流信号周期、双极电流信号的占空比(space ratio)等。
以上已经出于清晰和理解的目的描述了本发明的以上描述。布置在将本发明限于所公开的精确形式。各种修改形式可以在申请的范围和等同范围内。

Claims (15)

1.一种磁传感器(100)，包括：
第一多个磁阻传感器元件(210)，所述第一多个磁阻传感器元件耦接在一起成为第一电路(200)；以及
第二电路(400)，所述第二电路与所述第一电路(200)相邻并且被配置为从与所述第二电路(400)耦接的双极电流源(500)接收双极电流信号(600)，
其中所述第二电路(400)的一部分与所述第一多个磁阻传感器元件(210)中的每个磁阻传感器元件(210)相邻，并且
其中所述双极电流信号(600)被配置为产生磁场以抵消从所述第一多个磁阻传感器元件(210)中的至少一个磁阻传感器元件(210)产生的1/f噪声的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的磁传感器(100)，其中每个磁阻传感器元件(210)包括：
第一铁磁层(212)；
第二铁磁层(214)；和
所述第一铁磁层(212)和第二铁磁层(214)之间的中间层(216)。
3.根据权利要求2所述的磁传感器(100)，其中所述中间层(216)包括绝缘材料。
4.根据权利要求2或3所述的磁传感器(100)，其中每个磁阻传感器元件(210)的所述第一铁磁层(212)具有在磁场中自由旋转的磁化方向，并且每个磁阻传感器元件(210)的所述第二铁磁层(214)具有固定的磁化方向。
5.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，其中，响应于接收到所述双极电流信号(600)，所述第二电路(500)被配置为产生与所述第一多个磁阻传感器元件(210)中的每个磁阻传感器元件(210)相邻的磁场。
6.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，其中所述双极电流信号是包括正部分(610)、与所述正部分(610)不同的负部分(620)、在所述正部分(610)的开始处的正重置脉冲(611)和在所述负部分(620)的开始处的负重置脉冲(621)的周期信号，并且其中所述第一电路(200)的输出包括分别响应于所述双极电流信号(600)的所述正部分和所述负部分的高输出和低输出。
7.根据权利要求5所述的磁传感器，其中所述双极电流信号(600)以第一电路的输出信号的输出数据速率的至少两倍的速率传送，其中所述双极电流信号(600)与占据所述双极电流信号(600)的每个周期的不同百分比的所述正部分(610)和所述负部分(620)不对称，并且其中来自所述第一电路的所述高输出和所述低输出被采样、相加和平均，以抵消由所述第一多个磁阻传感器元件(210)中的至少一个磁阻传感器元件(210)所产生的所述1/f噪声的至少一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，其中每个磁阻传感器元件(210)是隧穿磁阻(TMR)元件、巨磁阻(GMR)元件或者各向异性磁阻(AMR)元件中的一种。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，其中，所述第一电路是桥电路或半桥电路中的一种。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，还包括：
第二多个磁阻传感器元件(210)，所述第二多个磁阻传感器元件耦接在一起成为第三电路；
第四电路，所述第四电路被配置为接收双极电流信号(600)，其中所述第四电路的一部分与所述第二多个磁阻传感器元件(210)中的每个磁阻传感器元件(210)相邻；
第三多个磁阻传感器元件(210)，所述第三多个磁阻传感器元件耦接在一起成为第五电路；以及
第六电路，所述第六电路被配置为接收双极电流信号(600)，其中所述第六电路的一部分与所述第三多个磁阻传感器元件(210)中的每个磁阻传感器元件(210)相邻。
11.根据权利要求8所述的磁传感器(100)，其中所述第一多个磁阻传感器元件(210)被配置为感测第一方向上的磁场，所述第二多个磁阻传感器元件(210)被配置为感测在与所述第一方向正交的第二方向上的磁场，并且所述第三多个磁阻传感器元件(210)被配置为感测在与所述第一方向和第二方向正交的第三方向上的磁场。
12.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，还包括：
与所述第一多个磁阻传感器元件(210)中的至少一个磁阻传感器元件(210)相邻地定位的磁导(218)，其中所述磁导(218)被定位在相应的磁阻传感器元件(210)之上或之下。
13.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，还包括耦接到所述第一电路(200)和所述第二电路(400)中的一个或多个的模数转换器(950)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的磁传感器(100)，其中，所述第二电路(500)包括：
多个电流线(410)；和
多工H桥电路(800)，用于控制所述多个电流线(410)中的每一个中的电流路径。
15.根据权利要求1所述的磁传感器(100)，其中所述双极电流信号是周期信号，所述周期信号包括正部分(610)、与所述正部分(610)不同的负部分(620)、在所述正部分(610)的开始处的正重置脉冲(611)、以及在所述负部分(620)的开始处的负重置脉冲(621)，
其中所述正重置脉冲(611)被配置为在第一方向中切换每个磁阻传感器元件(210)的第一铁磁层(212)的磁化方向，
其中所述负重置脉冲(621)被配置为将每个磁阻传感器元件(210)的所述第一铁磁层(212)的所述磁化方向切换到与所述第一方向相反的第二方向，
其中所述第一电路的输出包括分别响应于所述双极电流信号的所述正部分和所述负部分的高输出和低输出，并且
其中来自所述第一电路的所述高输出和所述低输出被采样和相加，以消除由所述第一多个磁阻传感器元件内的所述磁阻传感器元件中的至少一个所产生的所述1/f噪声的至少一部分。
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