CN115803647A - 具有用于在高磁场强度下操作的非线性元件的线性电桥 - Google Patents

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CN115803647A CN202180043279.XA CN202180043279A CN115803647A CN 115803647 A CN115803647 A CN 115803647A CN 202180043279 A CN202180043279 A CN 202180043279A CN 115803647 A CN115803647 A CN 115803647A
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Abstract

在一个方面中，电桥包括具有第一参考角度的第一磁阻元件；与第一磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第二磁阻元件；与第一磁阻元件并联并且具有第一参考角度的第三磁阻元件；以及与第三磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第四磁阻元件。电桥的输出在具有非零值的水平磁场值的范围内具有线性响应，并且水平磁场强度值的范围与具有零奥斯特(Oe)值的垂直磁场强度值相关联。参考角度指示磁阻元件的对磁场的变化最敏感的角度。

Description

具有用于在高磁场强度下操作的非线性元件的线性电桥
相关申请的交叉引用
本申请是于2020年3月18日提交的名称为“具有非线性元件的线性电桥”的第16/822,488号美国专利申请的部分延续(CIP)申请，并且要求享有该美国专利申请的权益和优先权，该美国专利申请通过引用以其全文并入本文。
背景技术
术语“磁场感测元件”用于描述可以感测磁场的各种电子元件。磁场感测元件可以是但不限于霍尔效应元件、磁阻元件或磁敏晶体管。众所周知，有不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直霍尔元件和圆形垂直霍尔(CVH)元件。还众所周知的是，有不同类型的磁阻元件，例如，半导体磁阻元件(例如锑化铟(InSb))、巨磁阻(GMR)元件、各向异性磁阻元件(AMR)、隧穿磁阻(TMR)元件和磁隧道结(MTJ)。磁场感测元件可以是单一元件，或者替代地，可以包括以各种构造(例如，半电桥或全(惠斯通)电桥)布置的两个或更多个磁场感测元件。取决于装置类型和其他应用要求，磁场感测元件可以是由IV型半导体材料(例如硅(Si)或锗(Ge))或III-V型半导体材料(比如砷化镓(GaAs)或铟化合物(例如，锑化铟(InSb)))制成的装置。
众所周知，上述磁场感测元件中的一些磁场感测元件倾向于具有平行于支撑磁场感测元件的基板的最大灵敏度轴，并且上述磁场感测元件中的其他磁场感测元件倾向于具有垂直于支撑磁场感测元件的基板的最大灵敏度轴。特别地，平面霍尔元件倾向于具有垂直于基板的灵敏度轴，而金属基的或金属的磁阻元件(例如，GMR、TMR、AMR)和垂直霍尔元件倾向于具有平行于基板的灵敏度轴。
发明内容
在一个方面中，一种电桥包括具有第一参考角度的第一磁阻元件；与第一磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第二磁阻元件；与第一磁阻元件并联并且具有第一参考角度的第三磁阻元件；以及与第三磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第四磁阻元件。电桥的输出在具有非零值的水平磁场值的范围内具有线性响应，并且水平磁场强度值的范围与具有零奥斯特(Oe)值的垂直磁场强度值相关联。参考角度指示磁阻元件的对磁场的变化最敏感的角度。
前述方面可以包括以下特征中的一个或多个特征。第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件和第四磁阻元件均可以是巨磁阻(GMR)元件或隧道磁阻(TMR)元件。电桥可以包括与第一磁阻元件串联并且具有第三参考角度的第五磁阻元件；以及与第三磁阻元件串联并且具有第三参考角度的第六磁阻元件。第五磁阻元件和第六磁阻元件可以被构造为相同。第五磁阻元件和第六磁阻元件可以被构造为具有相同的柱计数。可以选择第一磁阻元件、第二磁阻元件、第三磁阻元件、第四磁阻元件、第五磁阻元件和第六磁阻元件中的每个磁阻元件的柱计数以及第一参考角度、第二参考角度和第三参考角度，以使得电桥能够生成在从-10℃到100℃的温度范围内具有受控偏移的线性输出。第一参考角度和第二参考角度可以使得电桥的输出在具有非零值的水平磁场强度值的范围内具有线性响应。第一参考角度和第二参考角度可以使得电桥的输出在均不具有零值的水平磁场强度值的范围内具有线性响应。第一磁阻元件和第三磁阻元件可以被构造为相同。第一磁阻元件和第三磁阻元件可以被构造为具有相同的柱计数。第二磁阻元件和第四磁阻元件可以被构造为相同。第二磁阻元件和第四磁阻元件可以被构造为具有相同的柱计数。线性响应可以处于包括不小于200Oe的水平磁场值的范围内。线性响应可以处于包括不小于300Oe的水平磁场值的范围内。电桥可以在从-10℃到100℃的温度范围内具有线性响应。第一参考角度可以大致垂直于第二参考角度。第一参考角度可以大致垂直于传感器将感测的磁场。
在另一方面中，一种相机包括磁场传感器，该磁场传感器包括电桥。电桥包括具有第一参考角度的第一磁阻元件；与第一磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第二磁阻元件；与第一磁阻元件并联并且具有第一参考角度的第三磁阻元件；以及与第三磁阻元件串联并且具有第二参考角度的第四磁阻元件。电桥的输出在具有非零值的水平磁场强度值的范围内具有线性响应，并且水平磁场强度值的范围与具有零奥斯特(Oe)值的垂直磁场强度值相关联。参考角度指示磁阻元件的对磁场的变化最敏感的角度。
前述方面可以包括以下特征中的一个或多个特征。相机可以设置在蜂窝装置中。相机还可以包括磁目标；焦点控制器；以及透镜。可以由磁场传感器检测磁目标的运动，以向焦点控制器提供输出从而改变透镜的焦距。
附图说明
可以通过以下对附图的描述更充分地理解前述特征。附图有助于解释和理解所公开的技术。由于图示并描述每一可能的实施例通常是不切实际或者不可能的，因此提供的附图描绘了一个或多个说明性的实施例。据此，附图并非旨在限制本文中描述的广泛概念、系统和技术的范围。附图中相似的附图标记表示相似的元件。
图1是用于线性磁场传感器的磁场轨迹的示例的图表；
图2是隧穿磁阻(TMR)元件的现有技术示例的框图；
图3是用于包括磁阻(MR)元件的电桥的磁场线性轨迹的示例的图表；
图4是包括MR元件的电桥的示例的电路图；
图5是用于确定用于MR元件的参考角度的过程的示例的流程图；
图6A是磁场轨迹的示例的图表；
图6B是磁场轨迹的另一示例的图表；
图7是MR元件的相对于磁场轨迹的电阻的示例的图表；
图8是用于包括MR元件的电桥的具有零偏移的磁场轨迹的示例的图表；
图9是包括用于生成具有零电压的线性响应的MR元件的电桥的示例的电路图；
图10是图9中的电桥的输出的示例的图表；
图11是图9中的电桥中的第三类型的MR元件的参考角度的过程的示例的流程图；
图12是可以在其上实施图5和/或图11中的任何过程的计算机的示例的框图；
图13是没有外部磁场偏置的磁场轨迹的示例的图表；
图14是当参考方向沿如图13中所描绘的HX轴对齐时隧穿磁阻(TMR)元件的响应的示例的图表；
图15是当参考方向垂直于如图13中所描绘的HX轴时TMR的响应的示例的图表；
图16是用于检测图13中的磁场轨迹的线性电桥的示例的电路图；
图17是图16中的电桥的输出的示例的图表；
图18A是用于检测图13中的磁场轨迹的线性电桥的另一示例的电路图；
图18B是用于图18A中的电桥中的MR元件的参考方向的示例的图表；
图19A、图19B和图19C是用于图18A中的线性电桥中的MR元件的不同温度下的电阻相对于水平磁场强度值的示例的图表；
图20是各种温度下的图18A中的线性电桥的输出的示例的图表；
图21是用于实现图20中的图表的柱计数和参考方向的示例的表格；并且
图22是包括包含MR元件的电桥的相机的示例的框图。
具体实施方式
本文中描述的是使用非线性磁阻元件(例如，巨磁阻(GMR)元件或隧穿磁阻(TMR)元件)制作用于线性磁力计的电桥(线性电桥)的技术。在一些示例中，本文中描述的技术可以用于构造线性磁力计，该线性磁力计在磁阻元件典型地不是线性的磁场轨迹和范围内是线性的。
参考图1，线性轨迹是Hx和Hy空间中的直线，其中，Hx代表水平磁场强度，并且Hy代表垂直磁场强度。图表100包括来自以Hx＝0奥斯特(Oe)为中心的线性磁场传感器的线性轨迹的示例。在一个示例中，线性轨迹102以Hx＝0Oe为中心，并且具有Hy＝0Oe。在另一个示例中，线性轨迹104以Hx＝0Oe为中心，并且具有Hy＝固定的非零值。
如本文中将进一步描述的，TMR元件和GMR元件可以用于构造具有线性响应的电桥。例如，使用本文中描述的技术，包括TMR元件或GMR元件的电桥的输出相对于水平磁场具有线性响应。
参考图2，说明性的TMR元件200可以具有层206、210、214、218、222、226、228、232的堆叠体202，指示多柱TMR元件的一个柱。一般而言，层206是晶种层(例如，铜镍(CuN)层)，其中层210位于晶种层206上。例如，层210包括铂锰(PtMn)或铱锰(IrMn)。层214位于层210上，并且层218位于层214上。在一个示例中，层214包括钴铁(CoFe)，并且层218是间隔体层且包括钌(Ru)。在层218上，氧化镁(MgO)层226被夹在两个钴铁硼(CoFeB)层222、228之间。帽盖层232(例如，钽(Ta))位于CoFeB层228上。层214是磁耦合到层210的单一层的钉扎层。将层210和层214耦合在一起的物理机制有时被称为交换偏置。
自由层230包括CoFeB层228。在一些示例中，自由层230可以包括额外的镍铁(NiFe)层(未示出)以及位于CoFeB层228和NiFe层之间的薄的钽层(未示出)。
将理解的是，流经TMR元件200的驱动电流流经堆叠体的层，在晶种层206和帽盖层232之间流动，即垂直于底部电极204的表面。TMR元件200可以具有最大响应轴，其平行于底部电极204的表面且位于方向229上，并且还平行于由层210、214、218和222构成的参考层250的磁化方向，在层CoFeB 222中最为明显。
TMR元件200具有最大响应轴(对外部场的最大响应)，其与箭头229对齐，并且平行于参考层250的磁场，在钉扎层222中为明显。此外，一般而言，正是由外部磁场引起的自由层230的磁方向的旋转带来了TMR元件200的电阻的改变，这可能是由于如果存在外部偏置时角度的改变或幅度的改变造成的，因为外部场和偏置的和向量正在引起参考层和自由层之间的角度的改变。
参考图3，TMR元件和GMR元件可以用于构造具有线性轨迹的电桥；然而，这些轨迹不以垂直轴(Hy)为中心，或不平行于传感器灵敏轴，或两者都不是。例如，线性轨迹302和线性轨迹304不以垂直轴(Hy轴)为中心。这些线性轨迹可以用于构造具有相对于水平磁场(Hx)具有线性响应的输出的电桥。
参考图4，线性电桥的示例是电桥402。在一个示例中，电桥402是电流驱动电桥。
电桥402包括磁阻(MR)元件404a、MR元件404b、MR元件406a和MR元件406b。每个MR元件404a、404b、406a、406b包括参考方向。例如，MR元件404a包括参考方向414a，MR元件404b包括参考方向414b，MR元件406a包括参考方向416a，并且MR元件406b包括参考方向416b。如本文中所使用的，参考方向(有时在本文中被称为参考角度)指示MR元件对外部磁场最敏感的方向。
MR元件404a和MR元件404b是第一类型的MR元件，就是说，MR元件404a、404b在电气上相同，并且它们的参考角度414a、414b相等。第一类型的MR元件具有电阻R类型1。
MR元件406a和MR元件406b是第二类型的MR元件，就是说，MR元件406a、406b在电气上相同，并且它们的参考角度416a、416b相等。第二类型的MR元件具有电阻R类型2。
如本文中将进一步描述的，为了实现含有具有线性响应的输出的电桥，确定参考角度414a、414b和参考角度416a、416b。在示例中，在线性电桥402是电流驱动电桥的情况下，该电桥的输出电压等于Icc*(R类型1–R类型2)，其中，Icc是供应电桥402的电流。
在一个示例中，在确定了参考角度414a、414b和参考角度416a、416b后，MR元件404a、404b通过设置第二类型的MR元件406a、406b可以抵消第一类型的MR元件404a、404b的非线性的参考方向来提供来自线性电桥402的大部分信号。
参考图5，用于确定参考角度的过程的示例是过程500。过程500测量在不同倾斜角度下的针对MR元件的磁场响应(502)。
过程500为第一类型的电桥MR元件和第二类型的电桥MR元件的每种电阻组合确定值(514)。例如，电阻组合是第一类型的MR元件的电阻减去第二类型的MR元件的电阻(例如，MR元件404a的电阻减去MR元件406a的电阻(见图4)或(R类型1-R类型2))。每种电阻组合具有值。在一个示例中，该值是具有零和一百之间的值的线性值，其中，零是最大线性值，并且100是最小线性值。
过程500从电阻组合值中选择出指示最大线性响应的值(518)。例如，选择出最接近零的线性值。
过程500为对应于所选值的每种类型的电桥MR元件选择参考角度(522)。例如，来自处理框518的所选值是相关联的电阻组合，其与用于第一类型的MR元件404a、404b的参考角度414a、414b和用于第二类型的MR元件406a、406b的参考角度416a、416b相关联。
参考图6A，图表600描绘了用于MR元件的倾斜的和重复的磁场轨迹的各种示例。每个不同的倾斜角度与差异参考角度相关联。例如，倾斜的磁场轨迹是与第一参考角度相关联的磁场轨迹606。在另一个示例中，倾斜的磁场轨迹是与第二参考角度相关联的磁场轨迹608。MR元件的钉扎方向的示例是钉扎方向602(类似于层222上的钉扎方向(图2))。
参考图6B，图表600的另一个示例是图表600'。图表600'描绘了多于200个倾斜的磁场轨迹。在图表600'中，使用1.5°角度步长并且使用2.5Oe磁场步长以产生多于200个倾斜的磁场轨迹。每个磁场轨迹代表不同的参考角度。例如，磁场轨迹612与参考角度135°相关联，并且磁场轨迹614与参考角度0°相关联。
参考图7，图表700描绘了每条线(例如，线702、线704)代表MR元件的电阻，其中，例如，参考602相对于线性轨迹612。
参考图8，除线性轨迹802、804分别包括位置806、808之外，图表800与图表300相同。位置806、808指示在水平磁场(Hx)中期望线性电桥产生零电压输出的位置。
参考图9，具有线性的输出但是包括输出电压为零的点的线性电桥的示例是电桥902。电桥902类似于电桥402，但是包括第三类型的MR元件。确定用于第三类型的MR元件的参考角度，使得在期望的位置(例如，位置806或位置808)处的水平磁场强度(Hx)值是电桥902具有零输出的点。
电桥902包括MR元件904a、MR元件904b、MR元件906a、MR元件906b、MR元件908a和MR元件908b。每个MR元件904a、904b，906a、906b、908a、908b包括参考方向。例如，MR元件904a包括参考方向914a，MR元件904b包括参考方向914b，MR元件906a包括参考方向916a，MR元件906b包括参考方向916b，MR元件908a包括参考方向918a，并且MR元件908b包括参考方向918b。
MR元件904a和MR元件904b是第一类型的MR元件，就是说，MR元件904a、904b在电气上相同，并且它们的参考角度914a、914b相等。
MR元件906a和MR元件906b是第二类型的MR元件，就是说，MR元件906a、906b在电气上相同，并且它们的参考角度916a、916b相等。
MR元件908a和MR元件908b是第三类型的MR元件，就是说，MR元件908a、908b在电气上相同，并且它们的参考角度918a、918b相等。
参考图10，图表1000包括曲线1002，其是电桥(例如，电桥902(图9))的电压输出的示例。曲线1002基本上是线性的，指示电桥输出相对于水平磁场具有线性响应。
参考图11，用于确定第三类型的MR元件的参考角度的过程是过程1100。过程1100确定具有最小动态电阻与平均电阻(在施加磁场轨迹之上)之比的电阻(1102)。例如，在图表700中，确定具有最小动态电阻与平均电阻之比的电阻，其中，动态电阻随施加的磁场变化。
过程1100选择与具有最小动态电阻与平均电阻(在施加磁场轨迹之上)之比的电阻组合相关联的参考角度(1106)。例如，在图表700中，选择与具有最小动态电阻与平均电阻之比的电阻相关联的参考角度。
在其他示例中，可以添加具有不同参考方向的不同MR元件的组合，而不是添加MR元件908a、908b，一旦串联或并联连接在一起，具有不同参考方向的不同MR元件的组合将会产生小的动态电阻与平均电阻之比。
参考图12，计算机的示例是包括处理器1202、易失性存储器1204、非易失性存储器1206(例如，硬盘)和用户界面(UI)1208(例如，图形用户界面、鼠标、键盘、显示器、触摸屏等)的计算机1200。非易失性存储器1206存储计算机指令1212、操作系统1216和数据1218。在一个示例中，由处理器1202从易失性存储器1204中执行计算机指令1212，以执行本文中描述的全部或部分过程(例如，过程500和1100)。
本文中描述的过程(例如，过程500和1100)不限于与图12中的硬件和软件一起使用；它们可以在任何计算或处理环境以及能够运行计算机程序的任何类型的机器或机器组中找到适用性。本文中描述的过程可以在硬件、软件或两者的组合中实施。本文中描述的过程可以在可编程计算机/机器上执行的计算机程序中实施，每种可编程计算机/机器包括处理器、非瞬态机器可读介质或由处理器可读的其他制造品(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入装置以及一个或多个输出装置。程序代码可以应用于使用输入装置输入的数据以执行本文中描述的任何过程并生成输出信息。
系统可以至少部分地经由计算机程序产品(例如，在非瞬态机器可读存储介质中)来实施，用于由数据处理设备(例如，可编程处理器、计算机或多个计算机)来执行，或用以控制数据处理设备的操作。每个这样的程序可以在高阶过程编程语言或面向对象的编程语言中来实施以与计算机系统进行通信。然而，程序可以在汇编语言或机器语言中来实施。语言可以是编译语言或解释语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或其他适合在计算环境中使用的单元。计算机程序可以部署以在一个地点处的一台计算机或多台计算机上执行，或者跨多个地点分布并通过通信网络互连。计算机程序可以被存储在可由通用或专用可编程计算机读取的非瞬态机器可读介质上，用于在非瞬态机器可读介质被计算机读取时对计算机进行配置和操作以执行本文中描述的过程。例如，本文中描述的过程也可以被实施为配置有计算机程序的非瞬态机器可读存储介质，其中，在执行时，计算机程序中的指令使得计算机根据过程来操作。非瞬态机器可读介质可以包括但不限于硬盘驱动器、压缩光盘、闪速存储器、非易失性存储器、易失性存储器、磁盘等，但是不包括瞬态信号本身。
本文中描述的过程不限于所描述的具体示例。例如，过程500和1100分别不限于图5和图11中的具体处理顺序。相反，图5和图11中的任何处理框可以根据需要被重新排序、组合或移除、并行或串行执行，以实现上述结果。
与实施系统相关联的处理框(例如，过程500和1100)可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行以执行系统的功能。系统的全部或部分可以被实施为专用逻辑电路系统(例如，FPGA(现场可编程门阵列)和/或ASIC(专用集成电路))。系统的全部或部分可以使用电子硬件电路系统来实施，该电子硬件电路系统包括电子装置，例如，处理器、存储器、可编程逻辑装置或逻辑门中的至少一种。
参考图13，一些应用需要在不存在外部磁场偏置的情况下对磁场强度敏感的线性电桥。例如，图表1300描绘了期望线性电桥能够检测到的磁场轨迹1302。在该示例中，磁场轨迹1302具有非零水平磁场强度值和零垂直磁场强度值。特别地，磁场轨迹1302的非零水平磁场强度值大于200Oe。
参考图14，典型地，GMR元件和TMR元件在高磁场中不起作用，因为其超出了它们的线性范围和它们的饱和区域。例如，如图表1400所示，对于用于具有沿水平磁场轴对齐的参考方向的TMR元件的高于500Oe的磁场，TMR元件的电阻曲线1402下降。电阻的下降是由自旋翻转引起的，该自旋翻转是对参考层的方向性的破坏。
参考图15，自旋翻转可以产生不同的曲线，这取决于参考层的取向。例如，图表1500描绘了垂直于水平磁场轴定向的TMR元件的曲线1502。在150Oe和800Oe之间，TMR元件呈现线性特性。因此，可以使用非常规参考方向(即垂直于传感器的敏感方向)为传感器构造TMR元件或GMR元件的MR电桥，以实现线性传感器，该线性传感器可以在不寻常地高于单独的GMR元件或TMR元件的线性范围和饱和范围的上限的磁场强度下操作。
参考图16，在大于200Oe的磁场中操作的线性电桥的示例是线性电桥1602。在一个示例中，线性电桥1602是电流驱动电桥。线性电桥1602被构造为检测在方向1650上的磁场强度的改变，方向1650是线性电桥1602的敏感方向。在一个示例中，电桥1602可以检测磁场轨迹，例如磁场轨迹1302(图13)。
电桥1602包括MR元件1604a、MR元件1604b、MR元件1606a和MR元件1606b。每个MR元件1604a、1604b、1606a、1606b包括参考方向。例如，MR元件1604a包括参考方向1614a，MR元件1604b包括参考方向1614b，MR元件1606a包括参考方向1616a，并且MR元件1606b包括参考方向1616b。
MR元件1604a和MR元件1604b是所使用的对沿方向1650的高磁场强度(例如，大于200Oe)的磁场强度的改变更敏感的类型的MR元件，或灵敏度MR元件。例如，与MR元件1606a、1606b相比，MR元件1604a、1604b对线性电桥1602中的磁场强度的改变更敏感。MR元件1604a、1604b在电气上相同，并且其参考方向1614a、1614b相等。
在一个示例中，参考方向1614a、1614b大致垂直于方向1650。在一个特定的示例中，参考方向1614a、1614b与方向1650的偏移在80°和130°之间。在另一个特定的示例中，参考方向1614a、1614b与方向1650的偏移在-80°和-130°之间。
MR元件1606a和MR元件1606b是用于对其他MR元件的非线性进行补偿的类型的MR元件，或补偿MR元件。例如，MR元件1606a、1606b用于对MR元件1604a、1604b的非线性进行补偿。在一个特定的示例中，选择用于MR元件1606a、1606b的柱的数量，以将电桥输出的受控偏移设置在期望的磁场强度值。与MR元件1604a、1604b相比，MR元件1606a、1606b对线性电桥1602中的磁场强度的改变几乎不产生灵敏度。
MR元件1606a、1606b在电气上相同，并且其参考方向1616a、1616b相等。在一个示例中，参考方向1616a、1616b大致平行于方向1650。在一个特定的示例中，参考方向1616a、1616b与方向1650的偏移在-20°和20°之间。
参考图17，图表1700描绘了曲线1702，曲线1702是线性电桥1602(图16)的输出信号的示例。曲线1702具有大约350Oe的线性范围(例如，从大约300Oe到大约650Oe)，并且线性电桥的输出信号的受控偏移在大约470Oe处设置为0mV。曲线1702具有0.7％的积分非线性(INL)，并且对于250微瓦的功耗，灵敏度大约是0.18mV/Oe。
参考图18A和图18B，在大于200Oe的磁场强度中操作的线性电桥的另一个示例是线性电桥1802。电桥1802类似于电桥1602(图16)，但是执行对非线性的补偿的MR元件(图16中的MR元件1606a、1606b)均被本文中描述的两个MR元件替换。在一个示例中，线性电桥1802是电流驱动电桥。
如本文中进一步描述的，电桥1802可以被构造为具有在一定温度范围(例如，-10℃至100℃)独立于温度的线性输出。如本文中将进一步描述的，对于MR元件1804a、1804b、1806a、1806b、1808a、1808b中的每个MR元件的柱计数的选择以及对参考方向1814a、1814b、1816a、1816b、1818a、1818b的选择可以用于对温度进行补偿。例如，选择每个元件1804a、1804b、1806a、1806b、1808a、1808b的柱的数量和确切的参考方向1814a、1814b、1816a、1816b、1818a、1818b，以不超过电桥1802在温度范围内的最大电阻，并且以尽可能降低受控偏移和灵敏度的温度依赖性，同时在期望的磁场强度值下将控制偏移设置为零。
线性电桥1802被构造为检测在方向1850上的磁场强度的改变，方向1850是线性电桥1802的敏感方向，以检测磁场轨迹(例如，磁场轨迹1842)中的磁场强度的改变。与磁场轨迹1302(图13)一样，磁场轨迹1842具有非零水平磁场强度值和零垂直磁场强度值。特别地，磁场轨迹1842的非零水平磁场强度值大于200Oe。
电桥1802包括MR元件1804a、MR元件1804b、MR元件1806a、MR元件1806b、MR元件1808a和MR元件1808b。MR元件1804a包括参考方向1814a，MR元件1804b包括参考方向1814b，MR元件1806a包括参考方向1816a，MR元件1806b包括参考方向1816b，MR元件1808a包括参考方向1818a，并且MR元件1808b包括参考方向1818b。
MR元件1804a和MR元件1804b是类似于MR元件1604a、1604b(图16)的灵敏度MR元件。MR元件1804a、1804b在电气上相同，并且其参考方向1814a、1814b相等。
在一个示例中，参考方向1814a、1814b垂直于线性传感器1802的敏感方向1850。在一个特定的示例中，参考方向1814a、1814b与方向1850的偏移在80°和130°之间。在另一个特定的示例中，参考方向1814a、1814b与方向1850的偏移在-80°和-130°之间。
MR元件1806a、1806b和MR元件1808a、1808b是类似于MR元件1606a、1606b(图16)的补偿MR元件，并且用于对MR元件1804a、1804b的非线性进行补偿。MR元件1806a、1806b在电气上相同，并且它们的参考角度1816a、1816b相等。MR元件1808a、1808b在电气上相同，并且它们的参考角度1818a、1818b相等。
与MR元件1804a、1804b相比，MR元件1806a、1806b、1808a、1808b在线性电桥1802中几乎不产生灵敏度。MR元件1806a、1806b、1808a、1808b用于对MR元件1804a、1804b的非线性进行补偿。在一个特定的示例中，选择用于MR元件1806a、1806b、1808a、1808b的柱的数量以抵消MR元件1804a、1806b的非线性。
在一个示例中，参考方向1816a、1816b大致反向平行于方向1850。在一个特定的示例中，参考方向1816a、1816b与方向1850的偏移在160°和200°之间。在一个特定的示例中，选择参考方向1816a、1816b，使得MR元件1806a、1806b的电阻处于其最大电阻。
在一个示例中，参考方向1818a、1818b大致平行于方向1850。在一个特定的示例中，参考方向1816a、1816b与方向1850的偏移在-20°和20°之间。在一个特定的示例中，选择参考方向1818a、1818b，使得MR元件1808a、1808b的电阻处于其最小电阻。
在一个特定的示例中，选择MR元件1806a、1806b和MR元件1808a、1808b的柱的数量，使得MR元件1806a、1806b和MR元件1808a、1808b之和的温度系数相对接近MR元件1804a、1804b的温度系数。在一个示例中，在优化过程中，选择用于MR元件1804a、1804b、1806a、1806b、1808a、1808b中的每个MR元件的柱的数量以及参考方向。
参考图19A，图表1900描绘了不同温度下的MR元件1804a、1804b的电阻RA相对于水平磁场强度。例如，曲线1902描绘了-9.5℃的温度下的电阻RA相对于水平磁场强度。例如，曲线1904描绘了27.5℃的温度下的电阻RA相对于水平磁场强度。例如，曲线1906描绘了59.0℃的温度下的电阻RA相对于水平磁场强度。例如，曲线1908描绘了69.7℃的温度下的电阻RA相对于水平磁场强度。例如，曲线1910描绘了90.7℃的温度下的电阻RA相对于水平磁场强度。
参考图19B，图表1940描绘了不同温度下的MR元件1806a、1806b的电阻RB相对于水平磁场强度。例如，曲线1942描绘了-9.5℃的温度下的电阻RB相对于水平磁场强度。例如，曲线1944描绘了27.5℃的温度下的电阻RB相对于水平磁场强度。例如，曲线1946描绘了59.0℃的温度下的电阻RB相对于水平磁场强度。例如，曲线1948描绘了69.7℃的温度下的电阻RB相对于水平磁场强度。例如，曲线1950描绘了90.7℃的温度下的电阻RB相对于水平磁场强度。
参考图19C，图表1960描绘了不同温度下的MR元件1808a、1808b的电阻RC相对于水平磁场强度。例如，曲线1952描绘了-9.5℃的温度下的电阻RC相对于水平磁场强度。例如，曲线1954描绘了27.5℃的温度下的电阻RC相对于水平磁场强度。例如，曲线1956描绘了59.0℃的温度下的电阻RC相对于水平磁场强度。例如，曲线1958描绘了69.7℃的温度下的电阻RC相对于水平磁场强度。例如，曲线1960描绘了90.7℃的温度下的电阻RC相对于水平磁场强度。
参考图20，图表2000描绘了图19A至图19C中使用的不同温度下的线性电桥(例如，线性电桥1802(图18A))的输出相对于水平磁场强度值。如图20中所示，选择用于MR元件1804a、1804b、1806a、1806b、1808a、1808b的柱计数以及参考方向1814a、1814b、1816a、1816b、1818a、1818b使得线性电桥的输出能够独立于-10℃和100℃之间的温度。
例如，曲线2002描绘了-9.5℃的温度下的电桥输出相对于水平磁场强度。例如，曲线2004描绘了27.5℃的温度下的电桥输出相对于水平磁场强度。例如，曲线2006描绘了59.0℃的温度下的电桥输出相对于水平磁场强度。例如，曲线2008描绘了69.7℃的温度下的电桥输出相对于水平磁场强度。例如，曲线2010描绘了90.7℃的温度下的电桥输出相对于水平磁场强度。
参考图21，表格2100描绘了为MR元件1804a、1804b、1806a、1806b、1808a、1808b选择的柱计数和参考角度，以实现图20中的线性曲线2002、2004、2006、2008、2010。例如，MR元件1804a、1804b均具有17.5的柱计数，并且参考角度1814a、1814b均是-112.75°；MR元件1806a、1806b均具有6的柱计数，并且参考角度1816a、1816b均是175°；并且MR元件1808a、1808b均具有12.5的柱计数，并且参考角度1818a、1818b均是-8°。
参考图22，本文中描述的线性电桥(例如，电桥402、电桥1002、电桥1602、电桥1802)可以用于相机中。在一个示例中，相机可以用于移动电话中。相机2200包括磁场传感器2204、焦点控制器2224、透镜2236和磁目标2236。
磁场传感器2204包括电桥2212。在一个示例中，电桥2212类似于电桥402。在另一个示例中，电桥2212类似于电桥1002。在另一个示例中，电桥2212类似于电桥1602。在又一个示例中，电桥2212类似于电桥1902。
在一个示例中，磁目标2236可以被移动并由磁场传感器2204进行检测，以向焦点控制器2224提供输出从而改变透镜2236的焦距。
本文中描述的不同实施例的元件可以组合以形成上文未具体阐述的其他实施例。在单一实施例的语境中描述的各种元件也可以被单独地提供或以任何适当的子组合来提供。本文中未具体描述的其他实施例也处于以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种电桥，包括：
第一磁阻元件，所述第一磁阻元件具有第一参考角度；
第二磁阻元件，所述第二磁阻元件与所述第一磁阻元件串联并且具有第二参考角度；
第三磁阻元件，所述第三磁阻元件与所述第一磁阻元件并联并且具有所述第一参考角度；以及
第四磁阻元件，所述第四磁阻元件与所述第三磁阻元件串联并且具有所述第二参考角度，
其中，所述电桥的输出在具有非零值的水平磁场值的范围内具有线性响应，
其中，水平磁场强度值的所述范围与具有零奥斯特(Oe)值的垂直磁场强度值相关联，
其中，参考角度指示所述磁阻元件对磁场的改变最敏感的角度。
2.根据权利要求1所述的电桥，其中，所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件和所述第四磁阻元件均是巨磁阻(GMR)元件或隧道磁阻(TMR)元件。
3.根据权利要求1所述的电桥，还包括：
第五磁阻元件，所述第五磁阻元件与所述第一磁阻元件串联并且具有第三参考角度；以及
第六磁阻元件，所述第六磁阻元件与所述第三磁阻元件串联并且具有所述第三参考角度。
4.根据权利要求3所述的电桥，其中，所述第五磁阻元件和所述第六磁阻元件被构造为相同。
5.根据权利要求4所述的电桥，其中，所述第五磁阻元件和所述第六磁阻元件被构造为具有相同的柱计数。
6.根据权利要求5所述的电桥，其中，选择所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件、所述第四磁阻元件、所述第五磁阻元件和所述第六磁阻元件中的每个磁阻元件的所述柱计数以及所述第一参考角度、所述第二参考角度和所述第三参考角度，以使得所述电桥能够生成在从-10℃到100℃的温度范围内具有受控偏移的线性输出。
7.根据权利要求1所述的电桥，其中，所述第一参考角度和所述第二参考角度使得所述电桥的所述输出在具有非零值的水平磁场强度值的所述范围内具有所述线性响应。
8.根据权利要求7所述的电桥，其中，所述第一参考角度和所述第二参考角度使得所述电桥的所述输出在都不具有零值的水平磁场强度值的所述范围内具有所述线性响应。
9.根据权利要求1所述的电桥，其中，所述第一磁阻元件和所述第三磁阻元件被构造为相同。
10.根据权利要求9所述的电桥，其中，所述第一磁阻元件和所述第三磁阻元件被构造为具有相同的柱计数。
11.根据权利要求10所述的电桥，其中，所述第二磁阻元件和所述第四磁阻元件被构造为相同。
12.根据权利要求11所述的电桥，其中，所述第二磁阻元件和所述第四磁阻元件被构造为具有相同的柱计数。
13.根据权利要求1所述的电桥，其中，所述线性响应处于包括不小于200Oe的水平磁场值的范围内。
14.根据权利要求13所述的电桥，其中，所述线性响应处于包括不小于300Oe的水平磁场值的范围内。
15.根据权利要求13所述的电桥，其中，所述电桥在从-10℃到100℃的温度范围内具有所述线性响应。
16.根据权利要求1所述的电桥，其中，所述第一参考角度大致垂直于所述第二参考角度。
17.根据权利要求16所述的电桥，其中，所述第一参考角度大致垂直于所述传感器将感测的磁场。
18.一种相机，包括：
包括电桥的磁场传感器，所述电桥包括：
第一磁阻元件，所述第一磁阻元件具有第一参考角度；
第二磁阻元件，所述第二磁阻元件与所述第一磁阻元件串联并且具有第二参考角度；
第三磁阻元件，所述第三磁阻元件与所述第一磁阻元件并联并且具有所述第一参考角度；以及
第四磁阻元件，所述第四磁阻元件与所述第三磁阻元件串联并且具有所述第二参考角度，
其中，所述电桥的输出在具有非零值的水平磁场强度值的范围内具有线性响应，
其中，所述水平磁场强度值的范围与具有零奥斯特(Oe)值的垂直磁场强度值相关联，
其中，参考角度指示所述磁阻元件对磁场的改变最敏感的角度。
19.根据权利要求18所述的相机，其中，所述相机设置在蜂窝装置中。
20.根据权利要求18所述的相机，还包括：
磁目标；
焦点控制器；以及
透镜，
其中，由所述磁场传感器检测所述磁目标的运动，以向所述焦点控制器提供输出从而改变所述透镜的焦距。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102385043B (zh) * 2011-08-30 2013-08-21 江苏多维科技有限公司 Mtj三轴磁场传感器及其封装方法
US20140028307A1 (en) * 2012-07-26 2014-01-30 Udo Ausserlechner Magnetoresistive sensor systems and methods having a yaw angle between premagnetization and magnetic field directions
CN107003364B (zh) * 2014-11-24 2019-08-20 森斯泰克有限责任公司 磁阻式惠斯通电桥和具有至少两个这种电桥的角度传感器
US10620279B2 (en) * 2017-05-19 2020-04-14 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with increased operational range
US11199424B2 (en) * 2018-01-31 2021-12-14 Allegro Microsystems, Llc Reducing angle error in a magnetic field angle sensor

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