CN110869788B - 用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于抑制来自磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，所述抑制系统(S)包括：用于测量磁场的设备(D)，所述设备(D)包括至少一个磁阻传感器(C)，所述磁阻传感器(C)在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，第二工作点的灵敏度低或为零；调制装置(M)，用于将至少一个磁阻传感器(C)从第一工作点切换到第二工作点；以及处理装置(T)，用于处理来自用于测量磁场的设备(D)的信号。

Description

用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于抑制磁阻型传感器的低频噪声的系统和方法。磁阻传感器包括巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器，但是该方法可以扩展到任何磁阻类型的磁场传感器。

背景技术

如今，诸如GMR或TMR的磁阻传感器的低频噪声被认为是在某些需要在低频中具有很高检测率的应用中使用它们的主要障碍。这些应用的示例是生物介质中磁场的测量，例如与生理信号，特别是神经信号相关的磁场的测量。这些信号变化缓慢，频率低于1KHz，并且它们的检测受到测量期间使用的传感器的低频噪声的影响。

对于各向异性磁阻(AMR)型传感器，改变电流方向的方法可以抑制它们的部分1/f噪声(参见例如I.Mateos等人，“使用各向异性磁阻的磁场监测系统的低频噪声特性(Low-frequency noise characterization of a magnetic field monitoring system usingan anisotropic magnetoresistance)”，发表于2015年《传感器和执行器A(Sensors andActuators A)》第235卷)。该技术不能应用于GMR和TMR，因为它们的电阻及其电阻变化不取决于电流方向。

可以应用用于调制由传感器所检测到的场的技术。这些技术将传感器的工作点移至其低频噪声之外。A.Guedes等人的文章“使用GMR-MEMS混合设备对微特斯拉磁场进行检测(Towards picoTesla Magnetic Field Detection Using a GMR-MEMS HybridDevice)”中描述了这种技术的例子，该文章发表于2012年《IEEE磁学汇刊(IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS)》第48卷第11期第4115-4118页，以及A.S.Edelstein等人发表在2002年《应用物理学(Applied Physics)》期刊第91卷第7795页的“使用微机电系统通量集中器使磁传感器中的1/f噪声最小化(Minimizing 1/f noise in magnetic sensorusing a microelectromechanical system flux concentrator)”的文章中描述了这种技术的例子。

这些出版物提出使用调频通量集中器，但是该技术给出了价值不高的结果，并且需要使用微机电系统MEMS来进行机械调制。

在传感器耦合到超导电流回路的特定情况下，通过将传感器的工作点也移至更高的频率，超电流的调制可以相对有效地抑制低频噪声。在专利文件EP2165206和EP2165210中描述了这样的解决方案。

但是，这些技术具有一些缺点，例如实施困难，小型化的局限性，低效率或替代地使用超导材料，使用超导材料需要特定的使用条件并且可能是昂贵的。

发明内容

本发明旨在通过提出一种用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统来解决上述问题，该系统可靠、体积小并且可以由任何类型的磁阻传感器制造。

为此，本发明的第一主题是一种用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统，所述抑制系统包括：

-用于测量磁场的设备，所述设备包括至少一个磁阻传感器，所述磁阻传感器在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，在第二工作点的灵敏度低或零；

-调制装置，适于将磁阻传感器从第一工作点切换到第二工作点和从第二工作点切换到第一工作点，所述调制装置具有对应于第一工作点的第一配置和对应于第二工作点的第二配置；

-处理装置，用于处理来自用于测量磁场的设备的信号，所述处理装置适合于线性组合在第一工作点处存在磁场的情况下，测量设备的第一响应和在第二工作点处存在磁场的情况下，测量设备的第二响应，第一工作点对应于调制装置的第一配置，第二工作点对应于调制装置的第二配置。

磁阻传感器C用来表示具有取决于外部磁场的电阻的任何元件。通过测量元件C终端的电阻变化，可以测量外部磁场。外部磁场或磁场用来表示希望测量的磁场。

在本发明的范围内，可以使用隧道磁阻TMR传感器和巨磁阻GMR传感器。

根据本发明的实施方式，所使用的GMR或TMR磁阻传感器是无磁滞传感器。

在本发明的范围内使用的每个磁阻传感器具有不同的工作点，不同的工作点具有不同的灵敏度。

调制装置M用来表示可以周期性地改变所使用的磁阻传感器的灵敏度的装置。装置M可以包括电流或电压发生器。由装置M执行的调制，例如是磁阻传感器C的灵敏度的周期性变化。该调制的频率大于希望消除的低频噪声的频率。

磁阻传感器C的灵敏度低或为零，表示对于典型灵敏度为1％/mT的GMR，灵敏度低于0.05％/mT，对于灵敏度为20％/mT的TMR，灵敏度低于1％/mT。

处理信号的装置T被用来表示用于在设备D处于第一工作点时选择设备D的响应M1以及在设备D处于第二工作点时选择设备D的响应M2的装置。处理信号的装置T也适合于使响应M1和M2线性组合。处理装置T可以包括模拟电路、数字电路或模拟和数字混合的电路。

与在所有导体中一样，与磁阻传感器C相关的低频噪声是电阻噪声的波动。此外，外部场本身也引起电阻的变化。在使用磁阻传感器测量缓慢变化的磁场的情况下，电阻的两个变化因此不能通过单次测量来分开。

提出的发明基于与迄今为止提出的原理不同的原理。它包括使磁阻传感器在两个不同的工作点之间振荡。选择两点的方式应使对外部磁场的响应不同。传感器对外部磁场的响应也称为传感器的灵敏度。传感器在两个不同工作点之间的振荡也称为传感器灵敏度的调制。

换句话说，本发明在于使传感器以比图1所示的1/f噪声域更快的频率在这两个测量点之间振荡，并因此以高频测量传感器在每种状态下的响应。由此获得两条独立的曲线M1和M2，这两条曲线是时间相关的。这两条曲线的线性组合使得有可能获得唯一依赖于外部磁场的曲线和产生内部电阻波动的曲线。

可以数字地或模拟地完成这两个曲线M1和M2的重构。

当两点对应于非常不同的灵敏度时，本发明将更加有效。

特别地，选择具有低或零灵敏度的第二工作点的事实使得可以在对应于该工作点的测量M2中仅保留主要由于低频噪声而引起的电阻变化，而传感器对外场B不再敏感。接下来，可以从在第一工作点处进行的测量M1中减去该测量，以便分离基本上由于外部磁场B的变化而导致的电阻波动，因此与该外场的测量相对应。

因此，根据本发明的设备使得能够分离由于低频噪声引起的磁阻传感器的电阻变化和由于外部磁场B的变化引起的电阻变化。换句话说，根据本发明的设备使得可以抑制磁阻传感器的低频噪声。

根据本发明的设备还可以具有单独地考虑或根据其所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：

-用于测量磁场B的设备D包括根据半电桥布置设置的两个磁阻传感器301、302和低噪声前置放大器PA，两个磁阻传感器对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器R和其中一个磁阻传感器301、302，半电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器PA，每个输出V+、V-是其中一个电阻R和其中一个磁阻传感器301、302之间的接合点；

-测量系统D包括用于供电半电桥布置的DC电压源V，DC电压源V被连接到两个电阻器R之间的接合点或两个磁阻传感器301、302之间的接合点；

-测量设备D包括第一对磁阻传感器401、401a和第二对磁阻传感器402a、402a以及低噪声前置放大器PA，与第二对传感器402、402a相比，第一对传感器401、401a具有相反的响应，磁阻传感器401、401a，402、402a根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括第一对磁阻传感器401、401a和第二对磁阻传感器402、402a，电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器，每个输出V+、V-是第一对磁阻传感器401、401a与第二对磁阻传感器402、402a之间的接合点；

-测量系统D包括用于供电电桥布置的DC电压源V，DC电压源V被连接到第一对磁阻传感器和第二对磁阻传感器之间的接合点；

-测量设备D包括局部加热装置，以便翻转至少一个磁阻传感器的参考层703、704；

-测量设备D包括电流线路301、302、403、404，以在磁阻传感器的层的平面中施加磁场，使得在线路中存在电流的情况下，每个磁阻传感器C处于第二工作点202，在线路中没有电流的情况下，每个磁阻传感器C处于第一工作点201；

-当施加电流时，具有相反响应的磁阻传感器在第二工作点(202)处具有低或零灵敏度(Ssat)，同时具有相同的电阻；

-调制装置M包括高频主时钟，所述高频主时钟用于产生切换信号L1/L2，该切换信号用于在第一工作点201和第二工作点202之间切换；

-切换信号L1/L2包括在电流线路301、302、403、404中循环的电流脉冲，所述电流脉冲用于在第一工作点201和第二工作点202之间切换每个磁阻传感器；

-处理装置T，用于处理来自用于测量磁场B的设备D的信号，处理装置T包括用于快速数字采集来自前置放大器PA的信号的设备；

-处理装置T，用于处理来自用于测量磁场B的设备D的信号，包括：

-第一采样和保持电路，用于记录在第一工作点201处由测量设备D测量的信号M1；

-第二采样和保持电路，用于记录在第二工作点202处由测量设备D测量的信号M2；

-数字DSP或模拟1301采集系统，用于线性组合从第一和第二采样和保持电路获得的信号；

-主时钟还产生第一采样和保持电路的第一控制信号SH1和第二采样和保持电路的第二控制信号SH2。

本发明的另一主题是一种用于抑制磁阻传感器的低频噪声的方法，低频噪声与由测量设备测量的磁场相关，所述测量设备包括至少一个磁阻传感器，所述方法包括以下步骤：

-识别至少一个磁阻传感器的第一和第二工作点，磁阻传感器在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，第二工作点的灵敏度低或为零；

-通过将磁阻传感器从具有第一灵敏度的第一工作点切换到具有第二灵敏度的第二工作点，以及从第二工作点切换到第一工作点，调制磁阻传感器的灵敏度，；

-在调制期间，测量在第一工作点S1存在磁场的情况下测量设备D的第一响应M1和在第二工作点存在磁场的情况下测量设备的第二响应M2；

-计算测量系统D的第一响应M1和第二响应M2的线性组合。

根据本发明的方法的第一步骤使得可以识别设备D中包括的磁阻传感器的两个工作点，两个工作点具有两种不同的灵敏度。

有利地，选择第二工作点以便对外部磁场具有低或零灵敏度。这使得可以将由于传感器C的低频噪声引起的电阻波动与由于外部磁场引起的电阻波动区分开。

接下来，例如使用调制装置M来调制传感器的灵敏度，以便在两个工作点之间切换设备D的磁阻传感器。

因此，有可能测量在第一和第二工作点的设备D的响应，以便识别在磁阻元件的灵敏度低或为零的情况下，主要由低频噪声引起的电阻波动。

根据本发明的方法还可以具有单独地考虑或根据其所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：

-传感器灵敏度的调制频率大于低频噪声变得小于与传感器C相关联的热噪声时的频率101；

-传感器灵敏度的调制频率MOD大于低频噪声变得小于与传感器C相关的热噪声时的频率101的至少两倍；

-测量设备D包括根据半电桥布置设置的两个磁阻传感器301、302和前置放大器，两个磁阻传感器对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器R和其中一个磁阻传感器301、302，半电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器，每个输出V+、V-是其中一个电阻器R和其中一个磁阻传感器301、302之间的接合点；

-测量设备D包括第一对磁阻传感器401、401a和第二对磁阻传感器402、402a以及低噪声前置放大器，与第二对传感器402、402a相比，第一对传感器401、401a具有相反的响应，磁阻传感器401、401a，402、402a根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括第一对磁阻传感器401、401a和第二对磁阻传感器402、402a，电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器，每个输出V+、V-是第一对磁阻传感器401、401a和第二对磁阻传感器402、402a之间的接合点；

-至少一个磁阻传感器的灵敏度的调制的步骤MOD使用布置在至少一个磁阻传感器附近的电流线路来执行，该电流线路适于在磁阻传感器层的平面中产生磁场，以便在传感器处于第二工作点时，通过降低或消除其灵敏度来使磁阻传感器饱和；

-测量MES的步骤是使用数字或模拟采集系统1101执行测量设备D的第一响应M1和测量设备D的第二响应M2；

-线性组合LIN的步骤是使用数字或模拟采集系统执行。

附图说明

参考附图，从下面给出的仅出于指示性目的而绝非限制性的说明中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1示出了根据本发明的主题的用于降低低频噪声的系统S的图；

-图2示出了1/f噪声或低频噪声谱密度；

-图3示出了GMR或TMR传感器的典型响应；

-图4示出了与系统S相关的测量设备D的第一示例，该系统S用于减小如图1所示的低频噪声；在这种情况下，示出了具有两个磁阻元件的半电桥布置；

-图5示出了与系统S相关的测量设备D的第二示例，该系统S用于减小如图1所示的低频噪声；在这种情况下，示出了具有四个磁阻元件的完整电桥式布置；

-图6示出了C形GMR传感器的物理示例，具有集成的电流线路，并可以施加磁场来调制传感器的灵敏度；该系统可以用在如图1所示的设备D中以测量磁场；

-图7示出了如图5所示的电桥输出的时间曲线的例子；

-图8示出了磁阻隧道TMR传感器的典型堆栈；这种传感器可以用在图1所示的设备D中；

-图9示意性地示出了系统S的实施方式，该系统S通过对从测量设备D得到的信号进行数字处理来抑制低频噪声；

-图10示出了用于抑制低频噪声的系统S的实施方式的电子图，该系统S使得可以以模拟方式获得两条曲线M1和M2并执行数字线性组合；

-图11示出了用于抑制低频噪声的系统S的实施方式的电子图，该系统S使得可以以模拟方式获得两条曲线M1和M2并执行模拟线性组合；

-图12示出了来自调制装置M的信号的示例，并且使得可以调制GMR或TMR传感器的灵敏度；图12还示出了用于管理信号M1和M2的模拟处理电路的信号；

-图13示出了实施根据本发明的用于降低噪声的系统的方法的步骤。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于降低低频噪声的系统S的示例。系统S包括：

-调制装置M，用于调制至少一个磁阻传感器的灵敏度；调制装置包括例如DC电压V和电流的发生器或电压脉冲发生器GI。

-用于测量外部磁场B的设备D；设备D包括至少一个磁阻传感器C、低噪声放大器PA以及带通滤波器FPB，低噪声放大器PA用于放大从磁阻传感器C获得的信号，带通滤波器FPB用于消除由D测量的信号的低频分量和高频分量；重要的是要注意，构成设备D部分的每个磁阻传感器具有不同的工作点，对外部磁场B的灵敏度也不同；设备D提供来自设备D的第一测量M1和第二测量M2；

-用于处理信号的设备T，以记录两个测量M1和M2和/或执行第一测量M1和第二测量M2的线性组合。

图2示出了磁阻传感器的1/f噪声谱密度的示例。在该图中可以看到，低频噪声变得小于来自频率101的热噪声。在这种情况下，两个工作点之间的振荡频率必须大于频率101，并且如果可能的话，至少比对应于点101的频率大两倍。

具有不同灵敏度的两个工作点之间的振荡频率也称为磁阻传感器的灵敏度的调制频率。

有利地，最好选择足够高的调制频率，也就是说，选择高于电阻的波动变得等于热噪声的频率。

图3示出了GMR或TRM型磁阻传感器的典型响应，该磁阻传感器线性化以在零场中具有正确的响应。y轴表示在磁阻传感器的终端测得的电压，x轴表示外部磁场。两个工作点201和202是具有第一灵敏度S1和第二灵敏度S2的两个点。

灵敏度与图3所示曲线的斜率成比例，可以看出，点201对应于高灵敏度S1，而点S2对应于低灵敏度或零灵敏度。特别地，点201位于传感器的工作区域或灵敏度区域中。点202位于其灵敏度变低或为零的饱和区中。根据本发明的系统S可以使磁阻传感器在两个点201和202之间振荡。

例如，当施加到每个磁阻元件的磁场在堆栈的灵敏度轴的平面内超过值Hs时，传感器处于饱和区域。

图4示出了根据本发明的系统S的测量设备D的第一实施方式。根据该实施方式，测量设备D包括两个磁阻传感器301和302以及两个相同的电阻器R。这四个元件根据图4所示的半电桥布置连接。

特别地，半电桥布置包括连接到第一臂B1和第二臂B2的电源电压V。这两个臂并联连接。与连接到电压V的臂B1和B2的一端相反的一端接地。两个臂B1和B2中的每个包括电阻器R和磁阻元件。在图4所示的示例中，电源电压V被连接到两个电阻R之间的接合点。可替代地，电压V可以被连接到两个磁阻传感器301和302之间的接合点。

图4的布置的每个臂B1、B2包括输出V-、V+。两个输出V-、V+被连接到低噪声前置放大器PA。

两个磁阻传感器301和302对外部磁场具有相反的响应。换句话说，在图4的电桥所占据的体积中的外部且均匀的磁场的作用下，第一磁阻传感器301的磁阻增加对应于第二磁阻传感器302的磁阻减小。

有利地，这使得可以测量两个输出V+和V-之间的电位差，该电位差与要测量的外部磁场成比例。

为了实现本发明，必须在具有高灵敏度S1的第一工作点201和具有零灵敏度的第二工作点Ssat之间调制磁阻传感器301和302的灵敏度。通过在磁阻传感器的层的平面中施加足够强的磁场，以通过在饱和区中移位它来使传感器饱和而获得该调制。

两个元件301和302具有相反的响应，必须反转要施加到每个元件的饱和场。

根据图4所示的实施方式，借助于电流线路303和304，将饱和磁场施加到每个元件301、302。通过集成电流线路303和304发生强的零场磁场振荡，如图6所示。电流的选择必须使传感器在施加的电流模式下达到饱和，也就是说，可以在元件上产生大于Hs+Hp的磁场，其中Hp是传感器所需的磁场工作范围，Hs是元件的饱和磁场。由于施加在同一磁场上的电流将与传感器的宽度相反地变化，因此优选地使用横向尺寸通常为3至5μm较小的传感器，但是可以选择超出此范围的宽度。

传感器的第一个工作点对应于线路中的零电流。第二工作点对应于线路中的电流，该电流通过创建足够强的饱和磁场使传感器饱和。应当强调的是，必须以这样的方式在线路中施加电流，使得第二工作点202对应于两个传感器的相同电阻值，并且因此必须被物理地反转以给出它们的相反的响应。图4中所示的电流线路303、304的布局使得有可能在线路中循环的相同电流对应于具有相反的响应的元件301和302来获得反向磁场。在施加电流及其抑制过程中可能会出现快速的小瞬变。

有利地，电流线路303和304可以被集成在测量设备D中，从而减小了用于减少低频噪声的系统S的体积。

可替代地，如果元件301和302充分地间隔开，则可以使用两个独立的线圈来施加饱和磁场。

有利地，半电桥布置使得可以具有与磁阻传感器的工作点无关的输出。换句话说，当磁阻元件处于第一工作点201时，图4的电桥的差分输出电压接近于当磁阻元件处于饱和点202时的差分电压。

该配置是非常有利的，因为在两种情况下都可以在不使低噪声前置放大器PA饱和的情况下放大电桥的输出电压。

图5示出了用于减少低频噪声的系统S的测量设备D的第二实施方式。在这种情况下，有带有四个磁阻元件的完整电桥式布置。与元件402和402a相比，元件401和401a具有相反的响应。

图5的电路的运行类似于图4的运行。由于电流线路403和404，可以施加磁阻元件的饱和场。这些电流线路可以被集成在设备D中以减小系统S的体积。

可替代地，如果元件401、401a，402、402a充分地间隔开，则可以使用四个独立的线圈来产生磁场以使传感器饱和。

有利地，电桥式布置一方面可以使输出与磁阻传感器的工作点无关，另一方面可以获得2倍的输出振幅。

在图4所示的半电桥布置的情况下和在图5所示的电桥布置的情况下，磁阻元件都必须具有相反的响应。可以根据已知的方法获得这种相反的响应：第一种方法是安装4个相同但物理上相反的传感器。该方法易于使用，但是需要具有两个独立的硅芯片，因此具有较高的商业成本。第二种方法包括通过局部加热装置，通过局部场下加热来翻转两个磁阻元件402、402a的参考层。第三种方法是沉积两个略有不同的堆栈，它们具有相反但非常相似的响应。在优选实施方式中，应用第二种方法，这使得可以具有可以低成本工业化的方法。

图6示出了具有集成电流线路的C形GMR传感器的物理示例，这使得可以创建足够的磁场来饱和传感器，同时具有较低的电流消耗。

图7a示出了诸如图5所示的设备D的输出的时间曲线的示例。该曲线表示图5的电桥的输出电压，该电桥受正弦外磁场的作用。曲线7b示出了电流线路403和404中的电流。发送到电流线路中的电流对应于施加到传感器401、401a，402和402a并且能够使其饱和的磁场。换句话说，当线路中的电流为零时，传感器以高灵敏度位于第一工作点201。

在线路中存在电流的情况下，所施加的磁场通过将传感器C的工作点移位到灵敏度低或为零的点202来使传感器C饱和。

有利地，例如借助于图1的调制装置M来控制电流线路403、404中的电流。线路中不存在电流对应于调制装置M的第一配置，并且线路中存在电流对应于调制装置M的第二配置。

有利地，借助于调制装置M可以控制测量设备D的磁阻元件的工作点。

图7c给出了在存在外部磁场和图7b电流激励的情况下电桥的输出。在该曲线中可以看出，在电流线路403、404中不存在电流的情况下，设备D对外部磁场敏感，并且电桥的输出遵循该磁场中的变化。它涉及例如，在图7b的点601处的测量。

在电流线路403、404中存在电流时，磁阻传感器饱和，并且设备D不再对外部磁场敏感。它涉及例如，在点602处的测量。

因此，根据本发明的系统S的设备D能够提供对应于磁阻传感器的第一工作点的第一测量M1。该第一测量M1对应于图7c中的类型601的点。设备D还能够提供对应于磁阻传感器的第二工作点的第二测量M2。第二测量M2对应于图7c中的类型602的点。

有利地，与图7c的类型602的点相关联的第二测量M2包含主要由于磁阻元件的低频噪声而引起的电阻波动。

通过执行测量M1和M2的线性组合，因此可以消除低频噪声。

图8示出了隧道磁阻TMR的典型堆栈。通常为Cu或CuN型合金的层701用作下部电极。层702用作生长层。与CoFeB 704类型的层耦合的PtMn或IrMn类型的反铁磁层703用作参考。阻挡层由Al₂O₃或优选地MgO 705形成。层706和707形成常规的自由层。也就是说，在外部场之后的层。层708用作隧道结的上部接触的保护和起点。

存在从文献已知的堆栈的许多替代方案。

图9示出了在无噪声信号的数字重建和直接数字采集情况下，根据本发明的系统S的示例性实施方式。

调制装置M产生电源信号V以及频率为f且脉冲宽度可调节的两个周期信号L1和L2。GMR的典型频率f约为100kHz。对于小型TMR，典型频率f可能高达10MHz。信号V是为GMR或TMR电桥供电的DC电压。周期信号L1和L2提供电流线路403、404。典型的脉冲宽度值是总周期的50％。这两个脉冲同相。在电电桥输出端，低噪声前置放大器PA以及滤波器FPB分别在f之上和f之下的频率进行切割，以调节由数字处理装置DSP进行数字采集、转换和处理的信号。

根据实施方式9的调制装置M包括例如，DC电压V发生器和脉冲发生器或函数发生器GI。

噪声极低的前置放大器PA必须具有至少5倍于开关速度的带宽。

数字信号处理装置DSP通常在10MHz左右的采样频率下进行非常快速的采集。该信号直接在滤波器FPB的输出中采集。在这种情况下，所有处理都以数字方式进行。将应用于每个场转换之后的点平均。这样，两条曲线M1和M2被重建。接下来将这两条曲线相减以获得无噪声信号。

有利地，由于使用数字信号处理装置DSP，该实施方式易于实现。

其他实施方式基于模拟信号处理装置T的使用。

图10示出了电气图的示例，这得益于数字处理装置DSP，使得能够以模拟方式获得两个独立曲线M1和M2以及以数字方式执行线性组合。除了图9中已经存在的模块外，还插入了双采样&保持1101。由调制装置M命令，调制装置M此时产生4个信号。两个信号L1和L2用于根据图4的电桥的电流线路，并且两个脉冲宽度降低40％左右且相位相反的信号被发送到采样&保持1101。因此，两个S&H1101将测量信号M1和M2分开，当磁阻传感器未饱和时，测量M1；当磁阻传感器饱和时，测量M2。两个信号M1和M2被存储、转换和减去，以获得无噪声信号。存储和减去测量信号M1和M2的这些运行由数字信号处理装置DSP执行。

更具体地，关于图12解释了两个S&H电路1101的运行，图12示出了由函数发生器GI产生的信号。

函数发生器在通常为1MHz的高频f，具有主时钟的作用，并产生三个信号L1/L2、SH1、SH2。信号L1/L2管理零电流-强电流切换的实施，并使得有可能从检测模式转换为饱和模式。信号SH1管理第一S&H 1101，信号SH2管理第二S&H 1101。

图12示出了在电流线路中没有电流期间，即当L1/L2信号为零时，第一S&H电路处于采集模式。该第一S&H电路使得有可能工作回到测量M1。相反，当电流在电流线路中循环时，即当信号L1/L2不为零时，第二S&H电路处于采集模式。第二S&H电路可以工作回到测量M2，该测量M2基本上包含了由于低频噪声引起的电阻波动。

调制装置M的第一配置对应于不存在信号L1/L2：磁阻传感器在灵敏度区域中。调制装置M的第二种配置对应于存在信号L1/L2：磁阻传感器处于饱和区。

有利地，这种管理S&H电路的方式使得可以使用易于生产且成本低廉的电子器件来分离测量M1和M2。

信号L1/L2与两个信号SH1和SH2之间的时移使S&H电路在切换结束后的短时间后进入采集模式，并在随后的切换之前进入记忆模式，如图12所示。

有利地，该时移使得分离切换之后的瞬变成为可能，并使消除低频噪声更为精确。

图11示出了根据本发明的系统S的第三示例性实施方式，其具有信号的完全模拟处理的步骤。与图10的设备不同，这次数字信号处理装置DSP由能够以模拟方式执行两个测量M2和M1相减的减法电路1301代替。

有利地，图11的系统是完全模拟系统，并且在传感器的水平上是可集成的，从而使得这些调制和减法步骤对于用户而言是明晰的。

图13示出了用于实施根据本发明的系统S的方法的步骤。

在第一步骤ID期间，选择至少一个磁阻传感器的两个工作点201和202，其形成用于测量外部场B的设备D的部分。选择点201和202，以便对外部磁场B具有两个非常不同的灵敏度。在第二工作点处的灵敏度Ssat非常低或为零。

在第二步骤MOD期间，调制装置M用于将至少一个磁阻传感器C从具有第一灵敏度S1的第一工作点201切换到具有第二灵敏度Ssat的第二工作点202以及从第二工作点202切换至第一工作点201。

在步骤MES期间，记录设备D的磁阻传感器在灵敏度区域和饱和区域中的响应，磁阻传感器的灵敏度的调制仍在进行中。在饱和区域中磁阻传感器的响应或测量M2主要包含由于低频噪声引起的电阻波动。除低频噪声引起的波动外，灵敏度区域中磁阻传感器的响应或测量M1还包含由于外部磁场变化引起的电阻变化。由此获得两个时间相关曲线和独立曲线。

因此，可以在步骤LIN期间执行测量M1和M2的线性组合，以获得无噪声的信号以及可选地给出电阻中唯一内部波动的曲线。

根据一个实施方式，步骤LIN的线性组合在于减去两个测量M1和M2。

根据另一实施方式，在步骤LIN期间，根据类型M1-αM2的公式线性地组合测量M1和M2。参数α基本上取决于测量M2期间的残差灵敏度。如果为零，则α为零，如果不为零，则它将等于灵敏度比。

根据本发明的方法的实施方式，磁阻传感器的灵敏度的调制频率大于低频噪声变得小于与磁阻传感器相关联的热噪声时的频率101。

根据该方法的实施方式，传感器的灵敏度的调制频率大于低频噪声变得小于与磁阻传感器相关联的热噪声时的频率101的至少两倍。

可以使用测量设备D来执行步骤MES。设备D可以根据关于根据本发明的系统S示出的配置之一来生产。

可以使用用于处理信号的装置T来执行步骤MES和LIN。根据关于根据本发明的系统S所解释的配置之一，处理装置T可以是数字的、模拟的或部分数字的以及部分模拟的。

Claims (10)

1.用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，所述抑制系统(S)包括：

-用于测量磁场(B)的设备(D)，所述设备(D)包括至少一个磁阻传感器(C)，所述磁阻传感器(C)在第一工作点(201)具有第一灵敏度(S1)，在第二工作点(202)具有第二灵敏度(Ssat)，第二工作点的灵敏度(Ssat)低或为零；

-调制装置(M)，适于将磁阻传感器(C)从第一工作点(201)切换到第二工作点(202)和从第二工作点(202)切换到第一工作点，所述调制装置(M)具有对应于第一工作点(201)的第一配置和对应于第二工作点(202)的第二配置；

-处理装置(T)，用于处理来自用于测量磁场(B)的设备(D)的信号，所述处理装置(T)适合于线性组合在第一工作点处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第一响应(M1)和在第二工作点处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第二响应(M2)，第一工作点对应于调制装置(M)的第一配置，第二工作点对应于调制装置(M)的第二配置。

2.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，用于测量磁场(B)的设备(D)包括根据半电桥布置设置的两个磁阻传感器和低噪声前置放大器(PA)，两个磁阻传感器对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂(B1)和第二臂(B2)，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器(R)和其中一个磁阻传感器，半电桥布置还包括第一输出(V+)和第二输出(V-)，两个输出被连接到低噪声前置放大器(PA)，每个输出(V+，V-)是其中一个电阻(R)和其中一个磁阻传感器之间的接合点。

3.根据权利要求2所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量系统(D)包括用于供电半电桥布置的DC电压源(V)，DC电压源(V)被连接到两个电阻器(R)之间的接合点或两个磁阻传感器之间的接合点。

4.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量设备(D)包括第一对磁阻传感器和第二对磁阻传感器以及低噪声前置放大器(PA)，与第二对传感器相比，第一对传感器具有相反的响应，磁阻传感器根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂(B1)和第二臂(B2)，两个臂并联连接，每个臂分别包括第一对磁阻传感器和第二对磁阻传感器，电桥布置还包括第一输出(V+)和第二输出(V-)，两个输出被连接到低噪声前置放大器，每个输出(V+，V-)是第一对磁阻传感器和第二对磁阻传感器之间的接合点。

5.根据权利要求4所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量系统(D)包括用于供电电桥布置的DC电压源(V)，DC电压源(V)被连接到第一对磁阻传感器和第二对磁阻传感器之间的接合点。

6.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量设备(D)包括电流线路以在磁阻传感器层的平面中施加磁场，使得在线路中存在电流的情况下，每个磁阻传感器(C)处于第二工作点(202)，在线路中不存在电流的情况下，每个磁阻传感器(C)处于第一工作点(201)。

7.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，调制装置(M)包括高频主时钟，所述高频主时钟用于在第一工作点(201)和第二工作点(202)之间产生切换信号(L1/L2)。

8.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，切换信号(L1/L2)包括在电流线路中循环的电流脉冲，所述电流脉冲用于在第一工作点(201)和第二工作点(202)之间切换每个磁阻传感器。

9.根据权利要求1所述的用于抑制磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，处理装置(T)，用于处理来自用于测量磁场(B)的设备(D)的信号，所述处理装置(T)包括：

-第一采样和保持电路，用于记录在第一工作点(201)处由测量设备(D)测量的信号；

-第二采样和保持电路，用于记录在第二工作点(202)处由测量设备(D)测量的信号；

-数字(DSP)或模拟(1301)采集系统，用于线性组合从第一和第二采样保持电路获得的信号。

10.一种用于抑制磁阻传感器的低频噪声的方法(1)，低频噪声与由测量设备(D)测量的磁场(B)相关，所述测量设备包括至少一个磁阻传感器(C)，所述方法包括以下步骤：

-识别(ID)磁阻传感器的第一和第二工作点，磁阻传感器在第一工作点(201)具有第一灵敏度(S1)，在第二工作点(202)具有第二灵敏度(Ssat)，第二工作点的灵敏度(Ssat)低或为零；

-通过将磁阻传感器(C)从具有第一灵敏度(S1)的第一工作点(201)切换到具有第二灵敏度(Ssat)的第二工作点(202)，以及从第二工作点(202)切换到第一工作点(201)，调制(MOD)磁阻传感器(C)的灵敏度；

-在调制(MOD)期间，测量(MES)在第一工作点处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第一响应(M1)和在第二工作点处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第二响应(M2)；

-计算测量系统(D)的第一响应(M1)和第二响应(M2)的线性组合(LIN)。

Images