CN112305472B - 可复位的闭合回路多匝磁性传感器 - Google Patents

可复位的闭合回路多匝磁性传感器 Download PDF

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Abstract

本公开的方面涉及可复位的闭合回路多匝磁性传感器。在一方面，传感器包括：形成多个环的纳米线；多个畴取向传感器，被配置为检测所述纳米线内的一对畴壁的位置；和初始化电路，被配置为将所述一对畴壁注入所述纳米线。所述纳米线通过连接两个环的桥交叉形成闭合回路。

Description

可复位的闭合回路多匝磁性传感器
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2019年8月2日提交的美国临时专利申请No.62/882,292的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
所描述的技术的实施例涉及电子系统，更具体地，涉及多匝磁性传感器。
背景技术
多匝磁性传感器可用于通过测量外部磁场检测多匝传感器的转数。某些多匝磁性传感器包括开环传感器。开环传感器的旋转数可能受到限制，而旋转数可以由形成传感器的环路数来计算。特别地，开环传感器还可以使用畴壁发生器将畴壁注入传感器的一端，该壁通过传感器的环路传播。这样的畴壁可以通过传感器传播，而无需向传感器供电。
发明内容
权利要求书中描述的创新每个方面都有几个方面，没有哪个方面单独负责其期望的属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。
本公开的一方面是多匝磁性传感器，包括：形成多个环的纳米线；多个畴取向传感器，被配置为检测所述纳米线内的一对畴壁的位置；和初始化电路，被配置为将所述一对畴壁注入所述纳米线，其中所述纳米线通过连接两个环的桥交叉形成闭合回路。
该桥可以允许所述一对畴壁在所述整个纳米线中传播，而不会消灭所述一对畴壁。
初始化电路可以包括在第一交叉和第二交叉处与多个回路的每个回路相交的第一组金属迹线，在所述第一交叉处的金属迹线之间的第一间隔不同于在所述第二交叉处的金属迹线之间的第二间隔。
初始化电路还可包括在第三交叉和第六交叉处与多个回路的第一回路相交、以及在第四交叉和第五交叉处与多个回路的其他回路相交的第二组金属迹线，其中所述第二组金属迹线在所述第四和第六交叉处具有第一间隔并且在所述第三和第五交叉处具有第二间隔。
第一间隔可以比第二间隔窄。
所述初始化电路包括多个金属迹线并且初始化电路可被配置为：测量外部磁场的取向,计算所述环路的水平和垂直支腿的电流，和基于计算的电流将电流施加到所述多个金属迹线。
初始化电路还可被配置为：测量所述传感器的状态，确定所述传感器是否处于预定状态，和响应于所述传感器未处于预定状态而增加电流。
桥交叉可将所述纳米线形成连续的闭合回路而没有任何相交。
传感器还可包括：多个隧道磁阻(TMR)传感器，被配置为测量所述传感器的状态。
所述纳米线的每个回路可包括平行延伸的多个纳米线带，其中每个TMR传感器包括多对TMR结，成对的TMR结对中的每个形成在相应的一个纳米线带上。
本公开的另一方面是一种初始化闭合回路多匝磁性传感器的方法，包括：测量外部磁场；基于测得的外部磁场确定一个或多个复位电流的大小；和施加所述一个或多个复位电流以将一对畴壁注入到闭合回路磁性传感器中。
所述一个或多个复位电流包括水平复位电流和垂直复位电流，该方法还包括：基于测得的取向计算所述水平和垂直复位电流，其中施加一个或多个复位电流包括：将所述水平复位电流施加到与所述磁性传感器的水平支腿交叉的第一组金属迹线，和将所述垂直复位电流施加到与所述磁性传感器的垂直支腿交叉的第二组金属迹线。
该方法可以进一步包括：使用多个隧道磁阻(TMR)传感器测量所述磁性传感器的状态；和基于测量的状态确定所述磁性传感器是否处于期望状态。
该方法可以进一步包括：响应于确定所述磁性传感器不处于期望状态而增加复位电流。
期望状态可以包括具有一对畴壁的传感器。
本公开的另一方面是磁性多匝角度传感器系统，包括：印刷电路板(PCB)；设置在所述PCB上的多匝(MT)传感器；设置在所述PCB上的角度传感器；和设置在所述PCB上的处理电路,该处理电路被配置为接收来自MT传感器和所述角度传感器的输出信号并处理所接收的信号以提供旋转角度位置,其中所述MT传感器包括:形成多个环的纳米线,多个畴取向传感器，被配置为检测所述纳米线内的一对畴壁的位置,和初始化电路，被配置为将所述一对畴壁注入所述纳米线,其中所述纳米线通过连接两个环的桥交叉形成闭合回路。
该桥可以允许所述一对畴壁在所述整个纳米线中传播，而不会消灭所述一对畴壁。
初始化电路可以包括在第一交叉和第二交叉处与多个回路的每个回路相交的第一组金属迹线，在所述第一交叉处的金属迹线之间的第一间隔不同于在所述第二交叉处的金属迹线之间的第二间隔。
初始化电路还可包括在第三交叉和第六交叉处与多个回路的第一回路相交、以及在第四交叉和第五交叉处与多个回路的其他回路相交的第二组金属迹线，其中所述第二组金属迹线在所述第四和第六交叉处具有第一间隔并且在所述第三和第五交叉处具有第二间隔。
第一间隔可以比第二间隔窄。
附图说明
图1是根据实施例的包括多匝传感器和角度传感器的磁性传感器系统的示意性框图。
图2A示出了示例性闭合回路多匝磁性传感器。
图2B示出了在图2A的闭合回路多匝磁性传感器中形成的相交的近视图。
图3是示例性畴取向传感器的截面图，该示例性域取向传感器可用于读取多匝传感器的状态。
图4是根据本公开的方面的闭合回路多匝磁性传感器的示例实施例。
图5示出了由用于图4的传感器的紧密间隔和宽间隔的导体感应的磁通量的模拟。
图6是示出用于重置传感器中的畴壁的方法的流程图，该方法可以将期望数量的畴壁注入到传感器中。
图7是TMR传感器的示例实施例。
图8示出了整个闭合回路多匝传感器以及如何将每个TMR传感器包括在NiFe纳米线的每条腿上。
图9示出了可以用于顺序地读取每组TMR结的读出电路。
图10是TMR传感器的示例实施方式。
具体实施方式
实施例的以下详细描述呈现了本发明的特定实施例的各种描述。但是，本发明可以以多种不同的方式实施。在该描述中，参考附图，其中相似的参考标号可以指示相同或功能相似的元件。将理解的是，附图中示出的元件不必按比例绘制。此外，将理解的是，某些实施例可以包括比图中示出的更多的元件和/或图中示出的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
磁性传感器可用于监视移动轴的角位置和旋转速度。这样的磁感测可以应用于各种不同的应用，例如汽车应用、医疗应用和工业控制应用等等。存在用于制造磁性传感器的几种技术。例如，有霍尔效应传感器。霍尔效应传感器可以根据施加的磁场强度生成直流(DC)输出电压。旋转磁场会在霍尔效应传感器中产生正弦波形，然后可由计算机进行处理以计算角度。也有巨型磁阻(GMR)传感器。在GMR传感器中，GMR电阻器是使用铁磁性和非磁性材料层形成的。GMR电阻器可用于惠斯通电桥中，以感应旋转磁场的变化。此外，还有隧道磁阻(TMR)传感器。TMR传感器可能比各向异性磁阻(AMR)传感器和GMR传感器具有更高的输出。通常，TMR传感器可以包括插入在两个铁磁层之间的阻挡层。例如，如下所述，TMR传感器可以包括TMR钉扎层、TMR阻挡层和自由层(例如，NiFe纳米线)。
磁性传感器可以集成在芯片上，以半匝为增量感应和记录匝数，状态可以每四分之一匝改变一次，或者用于感应旋转磁场的角度。用于感测和记录四分之一匝增量的匝数的磁性传感器可以称为多匝(MT)传感器。用于感测在360度范围内的旋转角度的磁性传感器可以称为角度传感器或单转(360度)角度传感器。多匝传感器和角度传感器都可以一起使用，以确定超过360度的旋转角度位置。多匝传感器与角度传感器的这种组合也可以称为多匝角度传感器。
附加电路可用于处理和/或将来自多匝传感器和角度传感器的信号转换为有用的信息。例如，模数转换器(ADC)可用于将来自传感器的电压转换为数字数据，该数字数据可被处理为整体旋转角位置和/或角速度。这些转换的准确性可能取决于许多因素，包括传感器放置、环境因素(例如温度)和磁场强度，仅举几例。在多匝角度传感器中，其角度传感器的信息与多匝传感器的信息之间也可能存在相对误差。
多匝传感器可以包括磁阻感测元件。例如，多匝传感器可以是TMR传感器。多匝传感器可以包括任何合适的角度传感器，例如霍尔效应传感器、AMR传感器、GMR传感器、其他磁阻感测元件等。
基于角度传感器生成的位置信息可以表示与磁场相关的角度。例如，位置信息可以表示磁场的旋转。磁场可以由磁性靶产生，该磁性靶可以包括一个或多个磁体。这样的磁性目标可以是任何合适物体的一部分，也可以是任何合适物体的一部分，例如轴、齿轮、线性或旋转致动器、模块化离合器致动器(MCA)、方向盘等。位置信息可以表示角度或旋转，可以对应于360度以上的旋转。因此，位置信息可以代表包括或附着到磁性目标的物体的整体旋转角度。
在某些情况下，位置信息可以表示半匝或整匝的数量。在这种情况下，角度传感器可以是象限检测器，例如AMR象限检测器，并且根据本文讨论的原理和优点，可以从象限检测器和与多匝传感器关联的信号中确定相移校正。然后，可以基于多匝传感器的输出和相移校正来确定位置信息。
图1是根据实施例的包括多匝(MT)传感器61和角度传感器66的磁性多匝角度传感器系统60的示意性框图。多匝角度传感器系统60还可以包括处理电路68和印刷电路板(PCB)63，在其上布置有MT传感器61、角度传感器66和处理电路68。PCB 63、MT传感器61、角度传感器66和处理电路68中的所有可以集成在一起。处理电路68可以从MT传感器61接收信号SM和从角度传感器66接收信号SA，然后处理这些接收到的信号以提供旋转角度位置Position。处理电路68可以包括半匝解码器69。半匝解码器69可以从MT传感器61接收信号SM并且输出半匝计数。半匝计数可用于例如确定相移校正，如将在下面更详细地讨论的。来自MT传感器61的信号SM和来自角度传感器66的信号SA可以是模拟信号。例如，来自MT传感器61的信号SM可以是源自电阻器网络的电压信号，诸如包括TMR或GMR电阻器的惠斯通电桥。
闭合回路多匝磁性传感器
多匝磁性传感器可用于通过测量外部磁场来检测多匝传感器的转数。多匝磁性传感器的一个实施例包括开环传感器。开环传感器的旋转数可能受到限制，而旋转数可以由形成传感器的环路数来计算。特别地，开环传感器还可以使用畴壁发生器将畴壁注入传感器的一端。这样的畴壁可以传播通过传感器，而无需向传感器提供任何功率。但是，当畴壁到达传感器的末端时，畴壁可能会被湮灭，从而无法测量开环传感器的进一步旋转。
也可以将多匝磁性传感器实现为闭合回路传感器。图2A示出了示例性闭合回路多匝磁性传感器，并且图2B示出了在图2A的闭合回路多匝磁性传感器中形成的交叉点的特写视图。参考图2A，闭合回路传感器100包括在交叉点或交叉点115处彼此交叉的第一回路105和第二回路110。交叉点115可以形成为用作“虹吸”交叉点115，使得畴壁沿期望的方向在交叉点115上传播，而不是沿着传感器的错误分支行进。
参考图2B，示出的特写视图200包括在第一回路105的两个支腿205和第二回路110的两个支腿210之间的交点115。在图2B中还示出了在支脚205和210中的每一个中的箭头，其示出了磁场的方向。畴壁可以定义为由于虹吸管的作用，畴壁如何通过交叉点115传播。使用虹吸管的一个原因是，制造技术无法轻松地创建一种桥式交叉口，该桥式交叉口可使畴壁传播而不会被消灭。例如，可以使用通孔连接半导体器件的两层，但是，由通孔形成的锐角可能不允许畴壁从中传播。因此，某些闭合回路多匝磁性传感器使用一个或多个包括畴壁虹吸管的交叉点115。然而，使用允许畴壁通过的真正的桥交叉将解决由于虹吸交叉点115导致的湮灭和/或成核问题。由于畴壁传播对材料、缺陷和边缘的差异的敏感性，在典型的半导体工艺中(例如，使用通孔和/或使用光掩模)将桥制造为层变化可能是不可行的。
包括桥的闭合回路多匝磁性传感器
本公开的方面涉及一种包括桥式交叉的闭合回路多匝磁场传感器。在某些实施例中，传感器可以用作可磁写的电子可读存储器，其可以在不需要电源的情况下跟踪外部磁场的转数。本公开的各方面涉及用于制造过程的用途，该过程涉及添加制造以使用TMR结来创建桥交叉、重置方案和读出电路，以及闭合回路多匝传感器本身。
需要一种传感器，该传感器可以在感测传感器的转动的同时无需电源就可以对外部磁场的旋转进行计数。如上所述，某些多匝传感器可以基于GMR技术和/或使用相交类型的交叉点，当相畴壁穿过相交点时，该相交类型虹吸畴壁。本公开的各方面可以克服基于交叉点的传感器的困难。特别地，本公开的方面涉及一种闭合回路多匝传感器，其使用增材制造工艺来制造以构造桥以闭合传感器环路，而不是使用虹吸分流器来制造。与虹吸实施例相比，这种桥可以具有改善的磁畴壁传播特性，从而导致改善的传感器可靠性。本公开的其他方面涉及一种复位方案，该复位方案可以用于使用传感器上的载流导体来初始化传感器。复位方案可以使传感器复位，从而提高了传感器在制造过程中对杂散磁场的鲁棒性。另外的方面涉及可以用于读取多匝传感器的当前状态的TMR读出电路。在一些实现中，基于GMR的传感器可能与增材制造过程不兼容，因此，TMR电路可用于读取传感器的状态。
增材制造(AM)工艺可以形成其他方式无法实现的形状，因为可以使用增材制造来形成使用激光沉积原子层的结构，而无需使用光掩模。使用增材制造，可以形成一个连续的回路，其中的交叉点是桥而不是交叉点。
纳米级的许多增材制造工艺可以与聚合物一起使用。某些涉及金属的增材制造过程的分辨率可能会限制在20-50μm左右。在示例性的闭合回路多匝传感器中，线宽可以大约为350nm宽，因此，典型的增材制造工艺不够精确，无法制造这种闭合回路传感器。然而，增材制造技术的最新发展已导致能够制造具有约100nm分辨率的金属结构的工艺。这样的技术可以适合于沉积纳米线结构以用于本文所述的闭合回路传感器。
通常，多匝传感器可以从高层次分解为3个关键要素。这些元素包括：畴壁发生器，用于畴壁传播的纳米线和畴取向传感器。
在某些示例性多匝传感器中，可以在GMR传感器的无NiFe层内实现畴壁传播。但是，无NiFe层不必成为GMR堆栈的一部分。无NiFe层可以是GMR叠层的一部分，使得GMR传感器可以用作畴取向传感器。通过将畴取向传感器和畴壁在其中传播的纳米线分开，可以将任何360°MR传感器用作畴取向传感器。
图3是示例性畴取向传感器的截面图，该示例性畴取向传感器可用于读取多匝传感器的状态。畴取向传感器可以被实现为包括纳米线305的TMR传感器300，纳米线305在各个点处与TMR传感器300交叉。TMR传感器300还包括TMR势垒层310、TMR固定层315和两个电极320。TMR结自由层由NiFe纳米线305的与TMR传感器300的其他层310至320交叉的部分形成。TMR隧穿电流可以在纳米线305的短部分中流动，从而在两个TMR结之间形成电连接。通过配置TMR传感器300以允许在两个结之间形成隧穿电流，不需要直接电连接到NiFe纳米线305，这可以减少制造复杂性并限制与分接点相关的问题，这些分接点会阻止畴壁沿NiFe纳米线305的移动。
图4是根据本公开的方面的闭合回路多匝磁性传感器400的示例实施例。如图4所示，传感器400包括处于闭合回路构造的NiFe纳米线305。具体地，NiFe纳米线305包括三个分离的回路411、413和415，其中桥420将第一回路411连接到第三回路415，而NiFe纳米线305不形成交叉点。回路411、413和415中的每一个的每个支路可包括连接至电线435的TMR传感器301，其可例如通过检测沿环路411、413和415的畴壁的位置，读出多匝传感器400的状态。。
传感器400还包括第一组金属迹线430和第二组金属迹线440，其可用于初始化传感器400的状态。第一组金属迹线430和第二组金属迹线440可与复位电路一起构成初始化电路(如下所述)。当金属迹线430和440穿过环路411、413和415的支腿时，它们之间的特定间隔可以用于指定当电流通过金属迹线430和440时注入到传感器400中的畴壁的数量。在图4的实施例中，每个第一金属迹线430具有相似的配置，其中第一金属迹线430之间的间隔在与环411、413和415的第一交叉点431处比在与环411、413和415的第二交叉点433处窄。具体地，当沿顺时针方向越过环411、413和415时，每个第一金属迹线430首先在第一交叉431处以第一间隔越过环411、413和415，然后在第二交叉点433处以第二间隔从回路411、413和415的中心返回，其中所述第一间隔比所述第二间隔窄。如图4中的箭头所示，外部复位电路(未示出)可以向每个第一金属迹线430施加电流，该电流流入第一交叉点431，并通过第二交叉点433回流。
第二金属迹线440可以与第一金属迹线相似，除了第二金属迹线440跨过回路411、413和415的一个分支时第二金属迹线440的间隔。在图4的实施例中，第二金属迹线440在第三交叉点441处以第二间隔与第一回路411相交，并且第二和第三回路413和第三回路415在第四交叉点442处以第一间隔相交。第二金属迹线440在第五交叉点443处以第二间隔进一步越过第二和第三回路413和415，并且在第六交叉点444处以第一间隔越过第一环路411。所述第一间隔比所述第二间隔窄。
由于金属迹线430和440在穿过回路411、413和415时的间隔，当对金属迹线430和440施加电流时，可以通过将一对畴注入传感器400中来初始化传感器400。在初始化之后，这对畴壁对可以跟踪外部磁场(例如，当传感器400相对于外部磁场旋转时，畴壁将遍历回路411、413和415)。
为了去除传感器400内的畴壁，每个金属迹线430和440中的电流应流向NiFe纳米线305螺旋的中心或流离NiFe纳米线305螺旋的中心。在这种情况下，当应用右手规则时，NiFe纳米线305螺旋的所有环411、413和415的磁畴都指向相同的方向。通过在螺旋的一个分支(例如，第一回路411的分支跨过第二组金属迹线440的分支)上反转施加磁场的方向，会将单个畴壁对注入NiFe纳米线305中。
由于电流在回路中流动，所以返回电流可以在NiFe纳米线305的螺旋形支腿上方/下方通过，而不会超过成核场强，从而避免了消除所需的畴壁。这可以通过将导体的返回电流间隔开来实现，以使它们的场不增加到大于成核场强度。
在图4所示的传感器布局中，金属迹线430和440中的电流形成磁场。磁场的场强可以足够高以在迹线具有较窄间距(例如，第一交叉点431、第四交叉点442和第六交叉点444)的点处引入畴壁成核，但其高度不足以在迹线具有较宽的间距(例如第二交叉点433、第三交叉点441和第五交叉点443)处引入成核作用。通过选择适当的间隔和电流水平，传感器400的每个分支上的一点处的场可以超过成核场强度，而不超过电流返回经过螺旋分支的成核场强度。即，可以选择在第一至第六交叉点431、433和441-444中的每一个处施加到金属迹线430和440的电流与金属迹线430和440的间隔的宽度的组合，其要么超过形核场强(对于较窄的间距)，要么小于形核场强。
在与第二组金属迹线440相交的第一回路411的腿上，可以调节场的间隔，使得返回电流感应出高于成核场强度的场，而流入电流则不。这会导致磁畴指向与螺旋中所有其他分支相反的方向，从而将单个磁畴壁对引入螺旋中。
图5示出了由用于图4的传感器400的紧密间隔和宽间隔的导体所感应的磁通量的模拟。具体地，图5示出了相对于Y轴距离(m)和X轴距离(m)。具体地，可以在金属迹线430和440上方2μm的点处模拟磁通密度。
多匝传感器400所在的环境的外部磁场的强度可以影响在任何特定方向上超过成核场强度所需的电流。例如，如果外部场接近成核场强度，则为了将NiFe纳米线305的一个支腿中的畴的取向改变为与外部场相同的方向，仅需要相对较小的电流即可更改畴壁的方向。然而，为了将NiFe纳米线305的螺旋形腿中的畴壁重新定向为与外部场相反的方向，将需要相对较大的电流(例如，接近正常成核场感应电流的两倍)。
为了确保仅在金属迹线430和440的较窄间隔处穿过NiFe纳米线305的电流引起成核事件，并且确保由于在金属迹线430和440的较宽间隔处穿过NiFe纳米线305的电流不会引起成核事件，所以本公开的方面可以主动地监测传感器400中的畴壁的状态。基于对畴壁的监视，传感器400可以控制施加到金属迹线430和440的电流，使得感应场超过了成核场的强度，但不够高，不会产生不希望的成核事件。可以将不同的电流施加到图4所示的每个不同的金属迹线430，并且可以将不同的电流施加到金属迹线440，以便将一对畴壁适当地注入到传感器400中。
图6是流程图，示出了用于重置传感器400中的畴壁的方法600，该方法可以将期望数量的畴壁注入到传感器400中。方法600可以由传感器400外部的重置电路(未示出)执行。复位电路可以配置为测量传感器400的状态(例如，通过TMR传感器301)并将电流施加到金属迹线430和440。复位电路可以进一步包括磁场传感器，该磁场传感器配置为测量外部场定向或重置电路可以从重置电路外部的磁场传感器接收指示外部场定向的信号。
方法600在框601处开始。在一些实施例中，响应于后退复位或初始化传感器400的命令，复位电路可以开始方法600。在框605处，复位电路测量外部磁场的取向。这可以包括直接测量外部磁场方向或接收指示外部磁场方向的信号。在框610处，重置电路基于外部磁场的取向来计算NiFe纳米线305的水平和垂直支腿的电流。即，由于NiFe纳米线305的水平和垂直支腿的每一个与外部磁场之间的相对取向的差异，导致水平和垂直磁场的每一个引起成核事件所需的电流可以不同。该方法还可以包括分别计算NiFe纳米线305的每个支腿的电流。
在框615，复位电路将复位电流施加到金属迹线430和440。复位电流的大小可以是在框610计算的电流。在框620，复位电路测量传感器400的状态。在一些实施例中，重置电路可以使用TMR传感器301来测量多匝传感器400中的畴壁的位置。在框625，重置电路确定传感器400是否处于期望的重置状态。例如，复位电路可以确定所施加的电流是否将一对畴壁注入到NiFe纳米线305中。如果传感器400处于期望状态，则方法600在框635处结束。但是，如果传感器400不处于期望状态(例如，传感器400中存在更多或更少数量的畴壁)，则在框630处，重置传感器增加重置电流。复位传感器然后可以返回到框615，并将增加的复位电流施加到金属迹线430和440。
图7是TMR传感器301的示例实施例。TMR传感器301可以包括串联连接的多对TMR结300对(例如在图3的TMR传感器300中)。隧道氧化物层(例如，图3的TMR阻挡层310)可以形成为薄层(例如，大约1nm)，这增加了静电放电(ESD)的风险。在图7所示的示例TMR传感器中，第一回路411被示为包括平行布置的多个跑道条带412，然而，可以为图4所示的每个TMR传感器301形成类似的构造。如图7所示，纳米线301可以包括平行布置的五个分开的纳米线跑道带412。尽管在图7中示出了五个条带412，但是可以包括更多或更少数量的纳米线带412。
图8示出了整个闭合回路多匝传感器400以及如何将每个TMR传感器301包括在NiFe纳米线305的每条腿上。具体地，参考图7和图8，一对TMR结点300可以形成在每个刀柄412上，导线435并联连接成对的TMR结点300以形成TMR传感器301。因此，在一些实施例中，每个回路411、413和415可包括多个平行延伸的NiFe纳米线迹线412，对于每个回路411、413和415的每个支路，如图7所示，具有TMR传感器301。
图7和8的传感器布局中的回路411、413和415在每个TMR结300之间形成电阻连接。该连接可能使得更难于并行地读出多个TMR传感器301。因此，在一些实施例中，读出电路可以顺序地读取每组TMR结300，并且将读出的电压与参考电压进行比较。
图9示出了读出电路900，其可以用于顺序地读取每组TMR结。读出电路900包括多个TMR传感器REF1 701、REF2 702和REF3703。图10是TMR传感器701的示例实现。特别地，每个TMR传感器701-703可以如图10所示实现。读出电路900被配置为初始化TMR传感器701之一，使得纳米线305中的磁畴指向大致相同的方向(如图10中的箭头所示)。传感器400在磁窗中操作，使得结域取向不改变(即，低于成核场强)。
应用领域
本文讨论的原理和优点中的任何一个都可以应用于其他系统，而不仅是上述系统。一些实施例可以包括本文阐述的特征和/或优点的子集。可以将上述各种实施例的元素和操作组合以提供其他实施例。本文讨论的方法的动作可以适当地以任何顺序执行。此外，在适当情况下，本文所讨论的方法的动作可以串行地或并行地执行。尽管以特定布置示出了电路，但是其他等效布置也是可能的。
可以结合受益于本文的任何教导的任何其他系统、装置或方法来实现本文所讨论的原理和优点中的任何一个。例如，本文讨论的任何原理和优点可以结合需要校正从旋转磁场导出的旋转角度位置数据的任何设备来实现。另外，该设备可以包括能够感测磁场的任何磁阻或霍尔效应设备。
可以在各种电子设备或系统中实现本公开的各方面。例如，根据本文讨论的原理和优点中的任何一个实现的相位校正方法和传感器可以包括在各种电子设备和/或各种应用中。电子设备和应用程序的示例可以包括但不限于伺服器、机器人、飞机、潜水艇、牙刷、生物医学传感设备以及消费电子产品的部件，例如半导体芯片和/或封装模块、电子测试设备等。消费类电子产品可以包括但不限于诸如智能电话之类的电话、膝上型计算机、平板计算机、诸如智能手表或听筒之类的可穿戴计算设备、汽车、便携式摄像机、照相机、数字照相机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/烘干机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围设备等。此外，电子设备可能包括未完成的产品，包括用于工业、汽车和/或医疗应用的产品。
除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应理解为包容性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文中通常使用的，词语“耦合”或“连接”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。因此，尽管在附图中示出的各种示意图描绘了元件和组件的示例布置，但是在实际的实施例中可以存在附加的中间元件、设备、特征或组件(假设所描绘的电路的功能没有受到不利影响)。如本文所使用的，词语“基于”通常旨在涵盖“仅基于”和“至少部分地基于”。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应整体上指本申请，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，某些实施例的详细描述中使用单数或复数的词也可以分别包括复数或单数。涉及两个或多个项目的列表中的单词“或”旨在涵盖该单词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。本文提供的所有数值或距离旨在包括测量误差内的相似值。
尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过示例的方式给出，并且不意图限制本公开的范围。实际上，本文描述的新颖的装置、系统和方法可以以各种其他形式来体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附的权利要求书及其等同物旨在覆盖落入本公开范围和精神内的这些形式或修改。”

Claims (19)

1.多匝磁性传感器，包括：
形成多个环的纳米线；
多个畴取向传感器，被配置为检测所述纳米线内的一对畴壁的位置；和
初始化电路，被配置为将所述一对畴壁注入所述纳米线，
其中所述纳米线通过连接两个环的桥交叉形成闭合回路，
其中所述初始化电路包括在第一交叉和第二交叉处与多个回路的每个回路相交的第一组金属迹线，在所述第一交叉处的金属迹线之间的第一间隔不同于在所述第二交叉处的金属迹线之间的第二间隔。
2.权利要求1所述的传感器，其中该桥允许所述一对畴壁在整个纳米线周围传播，而不会消灭所述一对畴壁。
3.权利要求1所述的传感器，其中所述初始化电路还包括在第三交叉和第六交叉处与多个回路中的第一回路相交、以及在第四交叉和第五交叉处与多个回路中的其他回路相交的第二组金属迹线，其中所述第二组金属迹线在所述第四交叉和第六交叉处具有第一间隔并且在所述第三交叉和第五交叉处具有第二间隔。
4.权利要求1所述的传感器，其中所述第一间隔比所述第二间隔窄。
5.权利要求1所述的传感器，其中所述初始化电路包括多个金属迹线，并且其中所述初始化电路被配置为:
测量外部磁场的取向，
计算所述回路的水平支腿和垂直支腿的电流，以及
基于计算的电流将电流施加到所述多个金属迹线。
6.权利要求5所述的传感器，其中所述初始化电路还被配置为：
测量所述传感器的状态，
确定所述传感器是否处于预定状态，和
响应于所述传感器未处于预定状态而增加电流。
7.权利要求1所述的传感器，其中所述桥交叉将所述纳米线形成连续的闭合回路而没有任何相交。
8.权利要求1所述的传感器，还包括：
多个隧道磁阻(TMR)传感器，被配置为测量所述传感器的状态。
9.权利要求8所述的传感器，其中所述纳米线的每个回路包括平行延伸的多个纳米线带，其中每个TMR传感器包括多对TMR结，每对TMR结形成在相应的一个纳米线带上。
10.一种初始化闭合回路多匝磁性传感器的方法，包括：
测量外部磁场；
基于测得的外部磁场确定一个或多个复位电流的大小；和
施加所述一个或多个复位电流以将一对畴壁注入到闭合回路磁性传感器中。
11.权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个复位电流包括水平复位电流和垂直复位电流，该方法还包括：
基于测得的取向计算所述水平和垂直复位电流，
其中施加一个或多个复位电流包括:
将所述水平复位电流施加到与所述磁性传感器的水平支腿交叉的第一组金属迹线，以及
将所述垂直复位电流施加到与所述磁性传感器的垂直支腿交叉的第二组金属迹线。
12.权利要求10所述的方法，还包括：
使用多个隧道磁阻(TMR)传感器测量所述磁性传感器的状态；和
基于测量的状态确定所述磁性传感器是否处于期望状态。
13.权利要求12所述的方法，还包括：
响应于确定所述磁性传感器不处于期望状态而增加复位电流。
14.权利要求13所述的方法，其中所述期望状态包括具有一对畴壁的传感器。
15.磁性多匝角度传感器系统，包括：
印刷电路板(PCB)；
设置在所述PCB上的多匝(MT)传感器；
设置在所述PCB上的角度传感器；和
设置在所述PCB上的处理电路，该处理电路被配置为接收来自MT传感器和所述角度传感器的输出信号并处理所接收的信号以提供旋转角度位置，
其中所述MT传感器包括:
形成多个环的纳米线,
多个畴取向传感器，被配置为检测所述纳米线内的一对畴壁的位置，和
初始化电路，被配置为将所述一对畴壁注入所述纳米线，其中所述初始化电路包括在第一交叉和第二交叉处与多个回路的每个回路相交的第一组金属迹线，在所述第一交叉处的金属迹线之间的第一间隔不同于在所述第二交叉处的金属迹线之间的第二间隔，
其中所述纳米线通过连接两个环的桥交叉形成闭合回路。
16.权利要求15所述的系统，其中该桥允许所述一对畴壁在整个纳米线周围传播，而不会消灭所述一对畴壁。
17.权利要求15所述的系统，其中所述初始化电路包括在第一交叉和第二交叉处与多个回路中的每个回路相交的第一组金属迹线，在所述第一交叉处的金属迹线之间的第一间隔不同于在所述第二交叉处的金属迹线之间的第二间隔。
18.权利要求17所述的系统，其中所述初始化电路还包括在第三交叉和第六交叉处与多个回路中的第一回路相交、以及在第四交叉和第五交叉处与多个回路中的其他回路相交的第二组金属迹线，其中所述第二组金属迹线在所述第四交叉和第六交叉处具有第一间隔并且在所述第三交叉和第五交叉处具有第二间隔。
19.权利要求17所述的系统，其中所述第一间隔比所述第二间隔窄。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020132914A1 (de) 2020-12-10 2022-06-15 Analog Devices International Unlimited Company Initialisierungsvorrichtung
US12038308B2 (en) * 2021-03-24 2024-07-16 Analog Devices International Unlimited Company Magnetic sensor system having an initialization conductor
US11754646B2 (en) 2021-03-24 2023-09-12 Analog Devices International Unlimited Company Magnetic sensor system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5914692A (en) * 1997-01-14 1999-06-22 Checkpoint Systems, Inc. Multiple loop antenna with crossover element having a pair of spaced, parallel conductors for electrically connecting the multiple loops
US6522128B1 (en) * 1997-10-15 2003-02-18 Synaptics (Uk) Limited Position sensor having compact arrangement of coils
CN108369108A (zh) * 2015-12-11 2018-08-03 莱布尼茨光电技术研究所 用于在确定能够借助该转数计求取的转数的情况下自识别错误状态的磁转数计

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010022611B4 (de) 2010-06-01 2015-02-19 Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. Magnetischer Umdrehungszähler
US9222867B2 (en) * 2011-01-05 2015-12-29 Brian L. Norling Resonant micromachined biochemical sensor
DE102013018680B4 (de) 2013-11-04 2022-05-25 Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. Magnetischer Sensor zur absoluten Zählung von Umdrehungen oder linearen Wegstrecken
WO2016003626A2 (en) * 2014-06-11 2016-01-07 The Regents Of The University Of California Method for fabricating superconducting devices using a focused ion beam
WO2017097285A1 (de) 2015-12-11 2017-06-15 Leibniz-Institut Für Photonische Technologien E.V. Magnetischer umdrehungszähler und verfahren zur bestimmung von mit diesem umdrehungszähler ermittelbaren umdrehungszahlen
DE102017005562B4 (de) 2016-07-06 2024-06-06 Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. Magnetischer Umdrehungszähler
US10859406B2 (en) 2017-01-31 2020-12-08 Analog Devices Global Magnetic sensor position measurement with phase compensation
DE102017128889A1 (de) * 2017-12-05 2019-06-06 Sensitec Gmbh Magnetfeldsensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5914692A (en) * 1997-01-14 1999-06-22 Checkpoint Systems, Inc. Multiple loop antenna with crossover element having a pair of spaced, parallel conductors for electrically connecting the multiple loops
US6522128B1 (en) * 1997-10-15 2003-02-18 Synaptics (Uk) Limited Position sensor having compact arrangement of coils
CN108369108A (zh) * 2015-12-11 2018-08-03 莱布尼茨光电技术研究所 用于在确定能够借助该转数计求取的转数的情况下自识别错误状态的磁转数计

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