CN111758040B - 具有分布的通量引导件的z轴线磁性传感器 - Google Patents

Abstract

一种平面外隧道磁阻（TMR）磁场传感器包括限定感测平面的感测元件和配置为将垂直于感测平面的磁场引导到感测平面内的通量引导件。磁场传感器还包括布置在第一平面内的第一线圈、与第一线圈电绝缘并且布置在间隔开的第二平面内的第二线圈以及操作地连接至第一线圈和第二线圈的驱动电路。在第一模式中，驱动电路激励第一和第二线圈以生成相应的第一和第二场，该第一和第二场组合以设置通量引导件的磁化。在第二模式中，驱动电路仅激励第一线圈以生成第一场，从而在不改变通量引导件的磁化的情况下设置感测元件的磁化。

Description

具有分布的通量引导件的Z轴线磁性传感器

本申请要求2017年12月26日提交的美国临时申请62/610,366的优先权，该申请的公开内容通过引用整体合并在本文中。

技术领域

本公开涉及磁场传感器，并且更具体地涉及一种隧道磁阻（TMR）磁场传感器，该隧道磁阻（TMR）磁场传感器带有Z轴线灵敏度和能够以减少的电需实现求进行重置操作的线圈布置。

技术背景

磁阻（MR）磁场传感器基于各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）或隧道磁阻（TMR）（也称为磁性隧道结MTJ）。在所有这三种情况下，传感器自然都适合于测量平面内磁场。MR传感器通常被组合成具有高灵敏度和三个正交轴的单个装置，以用作诸如智能手机的智能装置中的地磁磁力计。为了精确地确定地球的磁场相对于装置的方向，传感器在手机的所有取向上都必须具有相同的响应。

为了检测平面外或Z轴线场，通量引导件可以被用于将Z轴线场引导到X-Y平面内以通过带有Z感测元件的平面内传感器感测。这些通量引导件具有用于最优Z轴线响应的优选磁化取向。通量引导件能够被置放在Z感测元件的下方、上方或者上方和下方两者。通道引导件能够是沟槽侧壁的镍-铁（NiFe）内衬或其它铁磁内衬，其被溅射沉积、电镀、化学镀或以任何其它合适的方法将通量引导件沉积、构造或者将通量引导件置放成紧靠感测元件。此外，通量引导件能够是置放在传感器结构的表面上或者内部的条或其它几何形状。暴露于非常大的外部场能够重新取向通量引导件磁化并且在通量引导件中引入畴壁，这能够导致降低的信噪比（SNR）和来自传感器的偏移读数的移位。通量引导件的该条件能够通过应用一系列电脉冲经过专门置放的线圈以生成足够大的磁场以将通量引导件的磁化重新取向为已知的先前校准的状态来重置。

典型的通量引导件重置操作要求大的场在传感器桥内穿过全部通量引导件的长度，这继而要求大的电压开销，该大的电压开销导致装置的显著的功率消耗。该特征使得由通量引导件重置操作提供的带有高输出稳定性的高度精确的Z-传感器不适合用于诸如手机或可穿戴装置的应用，其对可供传感器使用的电压和功率有显著的约束。在典型情况下，通量引导件重置操作需要20 V以产生持续若干微秒的500 mA的脉冲。该电压和功率要求超过了典型的智能装置的性能。在2017年3月7日授予Everspin技术股份有限公司的美国专利号9,588,211中描述了典型的通量引导件重置操作的一个示例，该专利的内容通过引用合并在本文中。

需要显著减少通量引导件重置操作的功率要求，使得此类操作对于在智能手机和智能装置市场中使用变得可行。

发明内容

一种磁场传感器在一个实施例中包括：感测元件，其布置在传感器的衬底上并且限定感测平面；通量引导件，其布置在衬底上并且配置成将垂直于感测平面的磁场引导到感测平面内；第一线圈，其大致布置在第一平面内；第二线圈，其大致布置在与第一平面间隔开的第二平面内，第二线圈与第一线圈电绝缘；以及驱动电路，其操作地连接至第一线圈和第二线圈中的每一个，驱动电路配置为：在第一重置模式中，激励第一线圈和第二线圈两者以分别生成围绕第一线圈的第一场和围绕第二线圈的第二场，第一场和第二场组合以设置通量引导件的预定磁化方向，以及，在第二重置模式中，仅激励第一线圈以生成第一场，从而在不改变通量引导件的预定磁化方向的情况下设置感测元件的预定磁化方向。

一种操作磁场传感器的方法在一个实施例中包括：通过包括感测元件的磁场传感器感测垂直于由感测元件限定的感测平面的磁场分量，磁场传感器还包括配置为将磁场分量引导到感测平面内的通量引导件、大致布置在第一平面内的第一线圈以及与第一线圈电绝缘并且被大致布置在与第一平面间隔开的第二平面内的第二线圈；通过选择性激励第一线圈和第二线圈两者以分别生成围绕第一线圈的第一场和围绕第二线圈的第二场来执行第一重置操作，该第一场和第二场组合以设置通量引导件的预定磁化方向；以及，通过选择性激励仅第一线圈以生成第一场来执行第二重置操作，从而在不改变通量引导件的预定磁化方向的情况下设置感测元件的预定磁化方向。

附图说明

图1示意性示出了包括三个差分传感器的典型MR磁场传感器，每一个差分传感器均形成为带有以惠斯通电桥配置连接的未屏蔽感测元件；

图2是图1的磁场传感器的Z轴线差分传感器的局部横截面，其示出了靠近Z-传感器的感测元件布置的通量引导件和通量引导件重置线圈；

图3是带有包括开关的结构的图2的结构的俯视图，该开关将来自第一导体的电压通过通量引导件重置线圈的线路联接到第二导体处的接地；

图4是典型的Z-传感器惠斯通电桥的放大视图，其中，通量引导件围绕隧道磁阻（TMR）感测元件不对称地布置；

图5是根据本公开带有形成Z-传感器的子块布置的TMR磁场传感器的俯视图，子块均包括配置为生成相应重置场以用于重新取向在子块内的感测元件和通量引导件的磁化的感测元件重置线圈和通量引导件重置线圈。

图6是图5的TMR磁场传感器的子块的放大俯视图，其示出了相对于子块的感测元件和通量引导件布置的通量引导件重置线圈；

图7是图5的子块的放大俯视图，其示出了相对于子块的感测元件和通量引导件布置的感测元件重置线圈和通量引导件重置辅助线圈两者；

图8是图5的子块的放大俯视图，其示出了在子块的不同半部上的通量引导件的相对磁化；以及

图9图示了用于操作图5的TMR磁场传感器的方法。

具体实施方式

出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中图示且在下文的书面说明书中描述的实施例。应当理解不因此预期对本公开的范围的限制。还应当理解，本公开包括对图示实施例的任意改变和修改，且包括如本公开所属的领域的技术人员将通常想到的本公开的原理的另外应用。

MR传感器在完整惠斯通电桥配置中使用，其中，桥的所有四个分支（leg）具有相同的电阻并对外部场反应。在外部场沿着灵敏方向存在的情况下，两个桥分支的电阻增加，而另外两个桥分支的电阻减小，以形成与所施加的场成正比的差分输出电压。通常，在Z轴线传感器中，这通过将通量引导件围绕TMR感测元件不对称地定位以导致在环境Z轴线场存在的情况下的净差分输出电压来实现。

在图1中示意性示出了典型MR传感器100的一个示例。MR传感器100包括分别用于检测沿着第一轴线120（例如，Y轴线方向）、第二轴线110（例如，X轴线方向）和第三轴线130（例如，Z轴线方向）所施加的场的分量方向的第一、第二和第三差分传感器101、111、121。每一个传感器101、111、121形成为带有以惠斯通电桥配置连接的未屏蔽感测元件。因此，第一传感器101由在对应的多个被钉扎的层106-109上的桥配置中的多个感测元件102-105的连接形成，其中，被钉扎的层106-109中的每一个沿着X轴线方向磁化。以类似的方式，第二传感器111由在对应的多个被钉扎的层116-119上的桥配置中的多个感测元件112-115的连接形成，多个被钉扎的层116-119中的每一个均沿着垂直于被钉扎的层106-109的磁化方向的Y轴线方向磁化。

同样地，第三传感器121处于与第一和第二传感器101、111相同的平面内，并且由在对应的多个被钉扎的层126-129上的桥配置中的多个感测元件122-125的连接形成，多个被钉扎的层126-129中的每一个均沿着xY轴线方向磁化成被钉扎的层106-109和116-119的磁化方向。在第三桥配置121中，感测元件122、123、124和125都具有正交于被钉扎的层126、127、128和129的钉扎磁化方向的易轴线磁化方向。第三桥配置121还分别包括与感测元件122-125的右边缘相邻定位的通量引导件132-135和与感测元件122-125的左边缘相邻定位通量引导件136-139。通量引导件132、137、134和139定位在感测元件122-125上方，并且通量引导件136、133、138和135定位在感测元件122-125下方。

通过将第一和第二传感器101、111定位成正交对准，每一个传感器的感测元件取向均从传感器的钉扎方向等距偏转并且在每一个传感器中彼此正交，传感器能够检测所施加的场沿着第一（y）和第二(x)轴线的分量方向。通量引导件132、133、136、137在分支141和142之间以不对称方式在元件122-123的相对边缘上方和下方定位在传感器121中。置放在感测元件123上方的通量引导件133和137将磁通量从Z-场沿着右侧引导到xy平面内，并且导致感测元件123的磁化沿着第一方向朝向更高的电阻旋转。类似地，来自Z-场的磁通量能够被通量引导件132和136沿着感测元件的左侧引导到xy平面，并且导致感测元件122的磁化沿着与第一方向相对的第二方向朝向更低的电阻旋转，因为这些引导件关于引导件137、133反对称。因此，传感器121能够检测所施加的场沿着第三（z）轴线的分量方向。

图2是第三桥电路121的TMR装置141的局部横截面，其包括都形成在介电材料140内的感测元件122和通量引导件136。通量引导件136具有定位在传感器元件122的边缘下方的端部。金属稳定/重置线152定位在TMR装置141的一侧上并且正交于通量引导件136，以用于提供沿着方向154的大电流脉冲154，其例如创造作用于感测元件和通量引导件136两者上的重置场130。通过指示重置场130的方向来自页面的点示出重置场130。相同的线152也能够被用作稳定线。流过152的电流在感测元件122处创造稳定的磁场。

图2的结构的俯视图在图3中示出并且包括将来自导体160的电压通过重置线152、154、156、158联接到在导体161处的接地的开关151、153、155、157。多个重置线152、154、156、158被定位在通量引导件136下方并且正交于通量引导件136。在另一实施例中，重置线能够被置放在通量引导件和感测元件上方或者在通量引导件和感测元件的两侧上。在操作中，开关151、153、155、157按照顺序“关闭”以提供在重置线152、154、156、158中的电流脉冲，该电流脉冲创造从通量引导件136的一端159到通量引导件136的另一端166的磁场130。关闭开关的示例性顺序：在时间段t1期间关闭开关151，以创造在通量引导件136的部分162中的磁场。在部分162中的磁畴壁（如果存在的话）可以通过该磁场朝向通量引导件136的另一端166移动。

然而，如果从重置线152移除电流，则磁畴壁可以回来并且在部分162中重新建立。为了防止磁畴的该重新建立，在时间t2期间，开关151以及开关153关闭。然后在随后时间t3期间，开关153和155被关闭。在时间t4处，开关155和157关闭，并且最后，在时间t5期间，开关157关闭。沿着通量引导件136“扫掠（sweep）”磁性重置场的该顺序从通量引导件的一端到另一端扫掠磁畴壁，从而防止在移除重置场之后磁畴在部分162-165中重新建立。在该顺序结束时，整个通量引导件处于单磁畴状态中。MR传感器和Z-通量重置的更多细节可见于在上文中通过引用合并的'211专利。围绕TMR感测元件404布置的带有多个不对称通量引导件402的常规Z-传感器惠斯通电桥400在图4中示出。

高级TMR传感器还具有感测元件重置线或线圈，其生成感测元件重置场以消除磁畴并且减少在感测元件中的巴克豪森噪声。在现有设计中，感测元件重置操作与通量引导件重置操作独立地执行，并且感测元件重置操作使用与通量引导件重置操作不同的一组线和驱动电路组执行。感测元件重置线是细的，从而生成跨若干微米的大的局部峰值场，而通量引导件重置操作要求跨通量引导件的长度的更均匀的场，其能够跨越数百微米。

图5描绘了根据本公开的TMR磁场传感器装置500的一部分。TMR装置500包括第一、第二和第三差分传感器，其与图1的差分传感器101、111、121如何检测所施加的场的分量方向类似，配置为分别检测所施加的场沿着第一（y）、第二(x)和第三（z）轴线的分量方向。TMR装置500的第三差分传感器504或Z-传感器配置为检测所施加的场沿着第三轴线或Z轴线方向的分量方向。

Z-传感器504包括八个子块508₁-508₈，诸如在图6和图7中详细地示出的子块508₁，其中每一个子块508x包括带有感测元件512和通量引导件516的传感器阵列510、独立的Z-通量引导件重置（ZFR）线圈520和独立的感测元件重置（BR）线圈524。每一个子块508x的独立的ZFR和BR线圈520、524允许子块在Z-传感器504的读取周期之间彼此独立地被重置。作为说明性示例，子块508₁的独立的ZFR和BR线圈520、524允许子块508的相应感测元件512和通量引导件516与另一个子块508₂-508₈的相应感测元件512和通量引导件516独立地重置（即，当子块508₁的感测元件和通量引导件被重置时，子块508₂-508₈的感测元件和通量引导件不重置）。作为另一说明性示例，当子块508₂、508₄、508₆和508₈的相应感测元件和通量引导件不重置时，独立的ZFR和BR线圈520、524允许子块508₁、508₃、508₅和508₇的相应感测元件和通量引导件被独立地重置。

在每一个子块508x的传感器阵列510、ZFR线圈520和BR线圈524（其掩盖了在图5中的ZFR线圈520）之间的位置关系从一个子块到另一个子块通常是类似的，并且限定子块的取向。如在图5中所示，八个子块508x相对于彼此沿着水平和竖直取向布局。例如，子块508₁和508₂具有相对于附图的观察方向的竖直取向，而子块508₃和508₄具有相对于附图的观察方向的水平取向。不同子块取向减轻了应力和温度对Z-传感器的性能的影响，由于这些影响沿着各向异性的方向被一起平均。

图6示出根据本公开的一个方面的叠加在Z-传感器504的子块508₁上的ZFR线圈520。ZFR线圈520被大致布置在Z-传感器504的衬底的第一金属层内的平面内。如在本文中使用地，ZFR线圈520“大致布置在平面内”意味着ZFR线圈520的配置为在传感器阵列510上施加重置场的有源（active）部分和ZFR线圈520的将有源部分连接到彼此的无源（inactive）部分两者在子块内沿着单个平面延伸。在图6中所示的实施例中，ZFR线圈520被定位在传感器阵列510下方。在其它实施例中，ZFR线圈520能够被定位在传感器阵列510上方。

ZFR线圈520具有被选路经过传感器阵列510的多个平行部段540、542。平行部段540、542正交于通量引导件516取向，以便当ZFR线圈520被激励时生成沿着通量引导件516的优选磁化方向的第一重置场。如在本文中使用地，平行部段540、542被“选路经过”传感器阵列510意味着，平行部段沿着其长度接近传感器阵列510的通量引导件516延伸，使得第一重置场（与结合图7描述的第二重置场组合）能够将通量引导件的磁化重新取向为优选磁化方向。在一些实施例中，当沿着垂直于ZFR线圈520布置在其中的平面的方向观察时，平行部段540、542经过通量引导件516的直接上方或者直接下方中的一者。

每一个传感器阵列510的通量引导件516还包括布置在传感器阵列510的第一区域534中的第一通量引导件532和布置在传感器阵列510的第二区域538中的第二通量引导件536。在一个实施例中，第一和第二区域534、536关于平面539对称设置。如图8中通过表示“通量引导件磁化”方向的相对箭头所示，第一和第二通量引导件534、536具有彼此相对的相应第一和第二预定磁化方向。在一些实施例中，传感器阵列510的感测元件512限定72×8×2位阵列。ZFR线圈520的平行部段还包括被正交地选路经过第一通量引导件532的多个平行第一部段540和被正交地选路经过第二通量引导件536的多个平行第二部段542。

相应地，在本公开的一个特征中，在执行通量引导件重置操作之后，每一个子块508x的通量引导件磁化取向被划分成带有相对取向的上半部和下半部。该配置允许在感测转换器内对于任何过程诱导的非对称进行内部补偿，该非对称导致从通量引导件发出并且作用于感测元件本身上的杂散的面内场。此类杂散场将沿着相反方向作用在传感器桥的顶部半部和底部半部上，并且其对感测元件电阻的电影响被经由桥互连布线消除，桥互连布线一起平均在子块的顶部半部和底部半部中的感测元件的电阻，如在图8中所示图的。

ZFR线圈520还具有将第一和第二部段540、542连接到彼此的多个另外部段544。这些另外部段544有时被称为“线圈完成选路”。在所示实施例中的另外部段544被选路经过子块508₁的不被传感器阵列510占据的部分。在一些实施例中，在子块508₁的这些部分中的另外部段544被捆绑到衬底的其它金属层，以便减少ZFR线圈520的电阻。在其它实施例中的另外部段544具有相比平行部段540、542的宽度更宽或不同的宽度（W_zfr），从而优化寄生和性能。在又一些实施例中，感测元件512和通量引导件516还被置放在接近另外部段544的区域中，并且有助于Z传感器的感测区域，以及进一步降低总体系统噪声。

在图6中描绘的实施例中的ZFR线圈520是具有最外部线圈部分550、最内部线圈部分552和设置在最外部和最内部线圈部分550、552之间的多个内部匝554的平面矩形线圈。矩形线圈520具有起始部段556和之后的第一线圈部段以及之后的第二线圈部段，起始部段556线性地延伸一个长边长度，第一线圈部段从起始部段取向90度并且线性地延伸短边长度，第二线圈部段从第一线圈部段取向90度并且线性地延伸另一长边长度。该图案继续，并且在每一次围绕缠绕轴线的相继匝后长边和短边长度变得更短，以限定线圈。

矩形线圈520具有结束部段558，结束部段558相比起始部段556更靠近缠绕轴线。起始部段556和三个紧随线圈部段限定ZFR线圈520的最外部线圈部分550。结束部段558和三个直接在先线圈部段限定ZFR线圈520的最内部线圈部分552。在一个实施例中，最外部线圈部分550和最内部线圈部分552中的一个或多个的宽度（W_zfr）与内部匝的宽度不同。线圈宽度中的该不同允许一种类型的场聚焦和更高的一致性或放大场被施加在整个通量引导件长度上，因为由于没有线圈匝超过线圈的边缘存在，所以来自相邻线圈的其它因素将不加和到在通量引导件的端部处的同一场值。

在覆盖ZFR线圈520和传感器阵列510的单独金属层中提供感测元件重置（BR）线圈524，如在图7中所描绘。BR线圈524被大致布置在与ZFR线圈520布置在其中的平面间隔开的平面内，并且BR线圈524与ZFR线圈520电绝缘。BR线圈524被相对于传感器阵列510定位，使得其能够执行感测元件重置操作以及在利用ZFR线圈520的通量引导件重置操作期间增加到总重置场。在图7中所示的实施例中，BR线圈524被定位在传感器阵列510上方。在另一实施例中，BR线圈524能够被定位在传感器阵列510下方，在该情况中，ZFR线圈520将通常被定位在传感器阵列510上方。

BR线圈524具有选路经过传感器阵列510的多个平行部段562。平行部段562正交于通量引导件516取向，从而当在通量引导件重置操作期间激励BR线圈524时生成沿着通量引导件516的优选磁化方向的第二重置场。另外，平行部段562中的每一个的中心线564与传感器阵列510中的感测元件512的相应行居中对准，以便第二重置场消除磁畴并且减少在感测元件重置操作期间在感测元件中的巴克豪森噪声。BR线圈524还具有将平行部段562连接到彼此的另外部段566。另外部段566选路经过子块508₁的不被传感器阵列510占据的部分。在图7中描绘的实施例中的BR线圈524是平面矩形线圈。在一些实施例中，平面矩形BR线圈524具有最外部线圈部分、最内部线圈部分和多个内部匝，其以与参考图6描述的平面矩形ZFR线圈520类似的方式布置。

在一些实施例中，Z-传感器504还包括通量引导件重置（FGR）辅助线圈526。FGR辅助线圈526大致布置在BR线圈524布置在其中的平面内，并且FGR辅助线圈526在BR线圈524的邻近部分之间的空间中交错。FGR辅助线圈526配置为形成在感测元件上居中的局部强磁场之间的附加场一致性。FGR辅助线圈526还在通量引导件重置操作期间操以用于辅助。在一些实施例中，FGR辅助线圈526平面矩形线圈，其具有最外部线圈部分、最内部线圈部分和以与平面矩形BR线圈524类似的方式布置的多个内部匝。

Z-传感器504还包括操作地连接至ZFR线圈520和BR线圈524中的每一个的驱动电路570。如果Z-传感器包括FGR辅助线圈526，则驱动电路570也操作地连接至FGR辅助线圈526。如在本文中使用的术语“驱动电路”通常指的是配置为在一个或多个导电元件之间形成和/或中断电连接和/或从一个或多个导电元件输送电压和/或电流和/或输送电压和/或电流到一个或多个导电元件的结构、装置等，驱动电路操作地关联或连接到该一个或多个导电元件。Z-传感器504的驱动电路570具体配置成在每一个子块508x内彼此独立地以及在不同子块508x之间独立地执行通量引导件重置操作和感测元件重置操作。

为了执行通量引导件重置操作，驱动电路570配置为激励ZFR线圈520和BR线圈524两者，以分别生成围绕ZFR线圈520的第一重置场和围绕BR线圈524的第二重置场。第一和第二重置场组合以建立总重置场，该总重置场足以将通量引导件516的磁化重新取向为已知的先前校准的状态，其能够可交换地称为通量引导件的优选/预定磁化方向/取向或优选/预定通量引导件磁化方向/取向。在用于执行通量引导件重置操作的另一实施例中，驱动电路还配置成激励FGR辅助线圈526以生成围绕FGR辅助线圈526的第三重置场。第三重置场具有平滑靠近通量引导件的第一重置场的效果，这有助于在通量引导件重置操作期间重新取向通量引导件的磁化。

为了执行感测元件重置操作，驱动电路570被配置为仅激励BR线圈524以生成第二重置场。第二重置场本身足以消除磁畴并且减少感测元件中的巴克豪森噪声，而不改变通量引导件的优选磁化方向。虽然ZFR线圈520被针对低电阻和场一致性优化，但是BR线圈524被针对高峰值场优化，以最小化在感测元件重置操作期间的电流要求。通过BR线圈524的相对较窄宽度导致的电阻的增加和相伴的驱动电压的增加在一个实施例中通过激励在每一个子块的多个阶段（phase）中的BR线圈524来适应。

在BR线圈524的多阶段激励的一个示例中，BR线圈524被配置为选择性划分成多个阶段部分。在通量引导件重置操作中，阶段部分被串联连接并且同时激励。在感测元件重置操作中，阶段部分被划分并且单独地激励。在一个实施例中，通过驱动电路570来实现将BR线圈524选择性划分成多个阶段部分。在感测元件重置操作期间，BR线圈524的多阶段激励有效地将驱动电压要求减小到在常规用户装置中可实现的电压水平。将BR线圈524划分成阶段的另一优点在于，在通量引导件重置操作期间的驱动电流被相应地划分，这减少了通过通量引导件重置操作的TMR电池磁化的任何扰动。

在另一实施例中，为了执行通量引导件重置操作，FGR辅助线圈526被划分成多个单独的部分（可激励部段），并且驱动电路570被配置为激励并联的可激励部段中的每一个。该布置允许优化通量引导件重置操作所要求的电压，其结果是用于FGR辅助线圈激励的倍增（multiplied）电流。在一个实施例中，通过驱动电路570实现将FGR辅助线圈526划分成可激励部段，使得对于Z-传感器500的每一个子块508x上的FGR辅助线圈526的布局的影响最小化。在另一实施例中，FGR辅助线圈526被配置为沿着其长度分段成两个或更多个可激励部段的平面矩形线圈，并且驱动电路570配置为激励并联的两个或更多个可激励部段。在又一实施例中，FGR辅助线圈526能够具有包括被驱动电路570激励的两个或更多个可激励部段的不同布局。

为了在又一实施例中执行通量引导件重置操作，当需要和有用时，ZFR线圈520和BR线圈524中的一个或多个能够被选择性划分成单独的部分（可激励部段），并且驱动电路570配置为激励并联的ZFR线圈520和BR线圈524中的每一个的可激励部段中的每一个。在一个实施例中，以与相对于FGR辅助线圈526描述的类似的方式实现将ZFR线圈520和/或BR线圈524划分成可激励部段。

图9是图示了用于操作TMR磁场传感器的方法900的流程图。参考图5-8的Z-传感器504描述方法900。应当理解，方法900可包括任意数目的附加或替代任务，在图9中示出的任务不需要以所图示次序执行，且方法900可以被合并到具有不在本文中详细描述的附加功能的更复杂的程序或过程中。此外，只要预期总体功能保持完整，在图9中示出的任务中的一个或多个能够从方法900的实施例中省略。

参考图9，方法900包括：通过带有感测元件512的磁场传感器504感测902垂直于由感测元件限定的感测平面的磁场，磁场传感器包括将磁场引导到感测平面内的通量引导件516、第一线圈524和与第一线圈电绝缘的第二线圈520；选择性激励904第一线圈524和第二线圈520两者以分别生成围绕第一线圈524的第一场和围绕第二线圈524的第二场，第一和第二场组合以重新取向通量引导件516的磁化；以及，选择性激励906仅第一线圈524以生成第一场，第一场配置为在不改变通量引导件516的磁化的情况下重新取向感测元件512的磁化。

在方法的一个实施例中，在通量引导件重置操作之后执行感测元件重置操作，以便感测元件在后续测量周期期间沿着其已知的设计取向。在方法的另一实施例中，在感测元件重置操作期间，BR线圈524的仅单独阶段被启用。对于通量引导件重置操作，BR线圈524的（串联连接的）所有阶段被同时启用。在方法的另一实施例中，BR线圈524和ZFR线圈520利用不同金属和/或以不同过程步骤制作，使得其相应过程变化能够是发散的（divergent）。例如，由于过程变化，ZFR线圈520可以具有高于标称的电阻率，而BR线圈524可以生产为带有低于标称的电阻率。

在操作中，通过应用恒定电压V_COIL到每一个线圈生成重置电流I_RST，以便：I_RST=V_COIL/R，其中R是线圈电阻。在所公开的实施例中，如果仅根据ZFR线圈520的电阻校准施加到线圈的电压，则BR线圈524将利用高于标称电流的电流激励，因此导致增加的功率耗散和/或对通量引导件磁化的干扰。为了避免该条件，方法的一个实施例包括执行两个校准，其产生两个不同的电压：V_{COIL_BR}和V_{COIL_ZFR}。因此，对于每一个重置操作，校准线圈电压用于生成带有最小的裕量的要求目标电流，这进一步优化了装置功率消耗。在方法的另一实施例中，校准电压参考温度被修整，从而甚至在任一重置线圈的温度依赖金属线电阻存在的情况下允许施加最优重置电流和场。

本公开设想了一种Z-传感器504，其实施至少两个平面线圈、ZFR线圈520和BR线圈524，以执行感测元件重置操作和通量引导件重置操作。在另一实施例中，三个平面线圈、ZFR线圈520、BR线圈524和FGR辅助线圈526用于执行感测元件重置操作和通量引导件重置操作。在一种操作方式中，根据在表格1中示出的安排，三个线圈被启用。

表1

重置操作	Z-磁通量引导件重置线圈	感测元件重置线圈	磁通量引导件辅助线圈
				Z-感测元件重置		X
Z-磁通量引导件重置	X	X	X

本公开设想了一种形式为平面外（Z轴线）隧道磁阻（TMR）磁场传感器形式的Z-传感器，其提供了稳定输出，该稳定输送抵抗对外部场冲击的暴露并且最小化操作传感器所需的功率。TMR Z-传感器至少包括Z-通量引导件重置线圈和感测元件重置线圈，Z-通量引导件重置线圈和感测元件重置线圈被一起启用以执行Z-通量引导件重置。该桥的好处是更准确地读取平面外（Z）磁场，同时减少操作传感器所需的功率。该配置相对于磁性传感器的现有技术具有优势，因为其允许高度稳定的零场输出，并且最小化该零场输出的温度依赖。另外，在利用本发明的移动应用中维持更长的电池寿命。

根据本公开，提供了一种系统和方法以通过如下各者减小Z-通量引导件重置的电压和功率预算：(1)同时使用感测元件重置线圈和Z-通量引导件重置线圈，以生成足够的通量引导件重置场，同时减小系统的电压开销；(2)将Z-传感器分成多个子块，并且对于每一个子块单独地执行Z-通量引导件重置操作，从而减少每次重置操作的电荷，并且显著减小任何电荷存储器的要求大小；(3)在感测元件重置操作期间的后续阶段中启用感测元件重置线圈，同时在Z-通量引导件重置操作期间使用完整线圈，这适应在感测元件重置操作中以相对高的电流实现高峰值场的竞争要求，同时有助于可能以更低的电流在通量引导件重置操作中实现更低的更均匀的场；以及(4)利用带有极低电阻并且非常接近通量引导件的定制金属层来最大化来自给定电压源的耦合场（场因子）。

虽然本公开已经在附图和前述描述中详细图示和描述，但是其应当被认为本质上是说明性的且不是限制的。应当理解，仅优选实施例已经被呈现，且在本公开的精神内的全部改变、修改和另外应用期望受到保护。

Claims (20)

1.一种磁场传感器，包括：

感测元件，所述感测元件布置在所述传感器的衬底上并且限定感测平面；

通量引导件，所述通量引导件布置在所述衬底上并且配置成将垂直于所述感测平面的磁场引导到所述感测平面内；

第一线圈，所述第一线圈布置在第一平面内；

第二线圈，所述第二线圈布置在与所述第一平面间隔开的第二平面内，所述第二线圈与所述第一线圈电绝缘；以及

驱动电路，所述驱动电路操作地连接至所述第一线圈和所述第二线圈中的每一个，所述驱动电路配置为：

(i)在第一重置模式中激励所述第一线圈和所述第二线圈两者以分别生成围绕所述第一线圈的第一场和围绕所述第二线圈的第二场，所述第一场和所述第二场组合以设置所述通量引导件的预定磁化方向，以及

(ii)在第二重置模式中仅激励所述第一线圈以生成所述第一场，从而在不改变所述通量引导件的预定磁化方向的情况下设置所述感测元件的预定磁化方向。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述第一线圈被配置为选择性划分成多个阶段部分，所述多个阶段部分(i)在所述第一重置模式中串联连接并且被同时激励并且(ii)在所述第二重置模式中被划分并且单独地激励。

3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述第一线圈被设置于所述衬底的第一金属层中，所述第一金属层定位在所述感测元件和所述通量引导件上方或者下方中的一者，并且其中，所述第二线圈被设置于所述衬底的第二金属层中，所述第二金属层定位在所述感测元件和所述通量引导件的上方或者下方中的另一者。

4.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述感测元件和所述通量引导件在数量上均是多个，所述感测元件和所述通量引导件限定布置在所述衬底的子块内的传感器阵列。

5.根据权利要求4所述的磁场传感器，其中，在所述第一重置模式之后，所述通量引导件中的至少两个的预定磁化方向是相对的。

6.根据权利要求4所述的磁场传感器，其中，所述第二线圈具有：(i)多个平行部段，所述多个平行部段选路经过所述传感器阵列并且正交于所述通量引导件取向；以及(ii)多个另外部段，所述多个另外部段连接至所述平行部段并且选路经过所述子块的不被所述传感器阵列占据的部分。

7.根据权利要求6所述的磁场传感器，其中，所述另外部段中的一个或多个(i)被捆绑到所述衬底的其它金属层从而减小所述第二线圈的电阻，以及(ii)具有与所述平行部段的宽度不同的宽度，从而优化所述第二线圈的寄生和性能。

8.根据权利要求6所述的磁场传感器，其中，所述第一线圈具有选路经过所述传感器阵列并且正交于所述通量引导件取向的多个平行部段，所述第一线圈的平行部段中的每一个具有与所述感测元件的相应行居中对准的中心线。

9.根据权利要求4所述的磁场传感器，其中，所述通量引导件包括布置在所述传感器阵列的第一区域中的第一通量引导件和布置在所述传感器阵列的第二区域中的第二通量引导件，所述第一通量引导件和所述第二通量引导件具有彼此相对的相应第一预定磁化方向和第二预定磁化方向。

10.根据权利要求9所述的磁场传感器，其中，所述第二线圈具有正交地选路经过所述第一通量引导件的多个平行第一部段和正交地选路经过所述第二通量引导件的多个平行第二部段。

11.根据权利要求9所述的磁场传感器，其中，所述第二线圈是具有最外部线圈部分、最内部线圈部分和设置在所述最外部线圈部分和所述最内部线圈部分之间的多个内部匝的矩形线圈。

12.根据权利要求11所述的磁场传感器，其中，所述最外部线圈部分和所述最内部线圈部分中的一个或多个具有与所述内部匝的宽度不同的宽度。

13.根据权利要求1所述的磁场传感器，还包括：第三线圈，所述第三线圈布置在所述第一平面内并且在所述第一线圈的邻近部分之间的空间中交错，所述驱动电路在所述第一重置模式中配置为激励所述第三线圈以生成围绕所述第三线圈的第三场，所述第三场配置为平滑靠近所述通量引导件的第一场。

14.根据权利要求13所述的磁场传感器，其中，所述第三线圈被划分成多个单独的可激励部段，并且其中，所述驱动电路在所述第一重置模式中被配置为激励并联的所述单独的可激励部段。

15.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中：

所述感测元件、所述通量引导件、所述第一线圈和所述第二线圈在数量上均是多个，

所述感测元件和所述通量引导件限定布置在所述衬底的对应多个子块中的多个传感器阵列，所述子块均包括所述第一线圈中的相应一个和所述第二线圈中的相应一个，以及，

所述驱动电路配置为与其它子块的所述第一线圈和所述第二线圈独立地激励每一个子块的所述第一线圈和所述第二线圈。

16.根据权利要求15所述的磁场传感器，其中，每一个子块的所述感测元件、所述通量引导件、所述第一线圈和所述第二线圈限定所述子块的取向，并且其中，所述子块中的至少两个的取向彼此正交。

17.一种操作磁场传感器的方法，包括：

通过包括感测元件的磁场传感器感测垂直于由所述感测元件限定的感测平面的磁场，所述磁场传感器还包括配置为将所述磁场引导到所述感测平面内的通量引导件、布置在第一平面内的第一线圈以及与所述第一线圈电绝缘并且被布置在与所述第一平面间隔开的第二平面内的第二线圈；

通过选择性激励所述第一线圈和所述第二线圈两者以分别生成围绕所述第一线圈的第一场和围绕所述第二线圈的第二场来执行第一重置操作，所述第一场和所述第二场组合以设置所述通量引导件的预定磁化方向；以及，

通过选择性激励仅所述第一线圈以生成所述第一场来执行第二重置操作，从而在不改变所述通量引导件的预定磁化方向的情况下设置所述感测元件的预定磁化方向。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在执行所述第一重置操作之后以及在测量所述磁场传感器之前至少执行一次所述第二重置操作，以确保设置所述感测元件的预定磁化方向。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一线圈配置为选择性划分成多个阶段部分，并且其中：

执行所述第一重置操作包括串联连接所述阶段部分并且同时激励所述阶段部分，以及

执行所述第二重置操作包括划分所述阶段部分以及单独地激励划分的阶段部分。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括：

执行第一校准以确定用于激励所述第一线圈的第一校准电压，所述第一校准考虑所述第一线圈的第一电阻；以及，

执行第二校准以确定用于激励所述第二线圈的第二校准电压，所述第二校准考虑所述第二线圈的第二电阻。

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