JP2013101116A - 単一の磁気抵抗センサを使用して磁場の平面方向の磁場コンポーネントを決定するのための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の交流ドライブ電流を第1のストラップに適用し、第1のストラップの少なくとも一部が、磁気抵抗センサの上に横たわり、第1のストラップが、第1の方向Xに延びる大きさを有することを特徴とし、第2の交流ドライブ電流を第2のストラップに同時に適用し、第2のストラップの少なくとも一部が第1のストラップの少なくとも一部の上に横たわり、第2のストラップが第2の方向Yに延びる大きさを有し、第2の方向が、第1の方向と並行ではなく、第2の交流ドライブ電流が、第1の交流ドライブ電流と位相が異なり、磁気抵抗センサが、磁気抵抗センサの平面で回転する周期的回転磁気ドライブ磁場に影響を受けることを特徴とする。
【選択図】図4A
Description
[0017] 磁気抵抗(MR)センサが、磁場または地球の磁場の小さい変化の小さな値が検出されなければならないいかなる用途において、磁気コンパス、磁気異常検知、ギア-歯検知などに関して用いられる。フラックスゲートおよび超伝導クアンタムインターフェースデバイス(SQUIDs)は、磁場の測定小さな値または磁場の小さな変化を測定できるバルクレベル磁気センサである。
複素数表記法を使用して、磁化が与えられる自由層の方向の単位ベクトルは、以下によって与えられる
[053]
[055]
[057]
[059]
[061]
[091] 第2のドライブ・ストラップ72が第1のドライブ・ストラップ71に、0度および90度以外のいくらかの角度で方位付けされる場合、磁気抵抗センサ10または11の平面において、回転している周期的回動磁気ドライブ磁場に、生成するのに適切な様に、Δφはセットされる。第1のドライブ・ストラップ71に対して垂直な第2のドライブ・ストラップ72が方位付けされる場合、Δφはπ/2ラジアンに等しく設定される。図4Aに示すように、第2の交流磁気ドライブ磁場Hdrive2(f)はX軸と平行して振動し、それが磁気抵抗センサ(MS)のX−Y平面にある。
[0105] 実施形態1は、面(X−Y)に適用された磁場(450)を測定する方法であって、
第1の交流ドライブ電流(431)を第1のストラップ(71)に適用するステップであって、第1のストラップの少なくとも一部(65)が、磁気抵抗センサ(10)の上に横たわり、第1のストラップが、第1の方向(X)に延びる大きさを有することを特徴とするステップと、
第2の交流ドライブ電流(432)を第2のストラップ(72)に同時に適用するステップであって、第2のストラップの少なくとも一部(66)が第1のストラップの少なくとも一部の上に横たわり、第2のストラップが第2の方向(Y)に延びる大きさを有し、第2の方向が、第1の方向と並行ではなく、第2の交流ドライブ電流が、第1の交流ドライブ電流と位相が異なり、磁気抵抗センサが、磁気抵抗センサの面で回転する周期的回転磁気ドライブ磁場(440)に影響を受けることを特徴とするステップと、
測定される適用された磁場が、面の周期的な回転磁気ドライブ磁場回転で重畳されるとき、磁気抵抗センサから出力電圧(Vout)出力の2次高調波コンポーネントを抽出するステップとを有し、
面で測定される適用された磁場の大きさが、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの振幅(|Happlied|)に比例し、面で測定される適用された磁場の方位(φ)が、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの位相角に関係する、ことを特徴とする方法を含む。
出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を示す信号(331)を出力するステップと、
を更に有することを特徴とする実施形態1に記載の方法を含む。
磁気抵抗センサからの出力電圧出力の2次高調波コンポーネントを抽出するステップが:
磁気抵抗センサからデジタル・プロセッサに出力電圧を出力するステップと、
デジタル・プロセッサで出力電圧をフーリエ分解するステップと、
周波数生成器からデジタル・プロセッサへの最初の周波数で基準信号を入力するステップと、
最初の周波数でフーリエ分解された出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出するステップと、
を含むことを特徴とする実施形態1-2のいずれかの方法を含む。
磁気抵抗センサから出る出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出するステップが、
バンドパスフィルタで磁気抵抗センサから出力電圧をフィルタリングするステップと、
バンドパスフィルタの出力を位相高感度探知器に入力するするステップと、
周波数生成器からの位相高感度探知器への最初の周波数で基準信号源を入力するステップと、
位相高感度探知器でフィルタリングされた出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出するステップと、
を有することを特徴とする実施形態1-3のいずれかの方法を含む。
磁気抵抗センサの第1のヌル磁場を生成するために第1のストラップに第1のヌル電流を適用するステップであって、第1のヌル磁場が、測定される適用された磁場の第1のコンポーネントに対して並行であり且つ対向することを特徴とする、ステップと、
磁気抵抗センサの第2のヌル磁場を生成するために第2のストラップに第2のヌル電流を適用するステップであって、第2のヌル磁場が、測定される適用された磁場の第2のコンポーネントに対して並行であり且つ対向することを特徴とするステップと、
を有することを特徴とする実施形態1-4のいずれかに記載の方法を含む。
周波数生成器から周波数デバイダへ最初の周波数で信号を出力するステップと、
ドライブ周波数(最初の周波数の半分であるドライブ周波数)で信号を生成するために最初の周波数で信号を周波数分解するステップと、
を有し、
第1の交流を第1のストラップに適用するステップが、
第1のストラップに第1の交流ドライブ周波数で信号を入力するステップからなり、
第1の交流ドライブ電流が、ドライブ周波数での交流であり、
第2の交流を第2のストラップに適用するステップが、
第2のストラップに第2の交流ドライブ周波数で信号を入力するステップからなり、
第2の交流ドライブ電流が、ドライブ周波数での交流であることを特徴とする、実施形態1-5のいずれかに記載の方法を含む。
第1のストラップに適用された第1の交流ドライブ電流の形状を仕立てるステップと、
第2のストラップに適用された第2の交流ドライブ電流の形状を仕立てるステップと、
を有することを特徴とする実施形態1-6のいずれかに記載の方法を含む。
磁気抵抗センサにかぶせている第1のストラップに第1の交流ドライブ電流を適用し、第1のストラップの上に横たわる第2のストラップに第2の交流ドライブ電流を同時に適用するステップが、
磁気トンネル接合の上に横たわる第1のストラップに第1の交流ドライブ電流を適用し、第1のストラップの上に横たわる第2のストラップに第2の交流ドライブ電流を同時に適用するステップ、または、
巨大な磁気抵抗センサの上に横たわる第1のストラップに第1の交流ドライブ電流を適用し、第1のストラップの上に横たわる第2のストラップに第2の交流ドライブ電流を同時に適用するステップ
のいずれか一方を含む実施形態1-7のいずれかに記載の方法を含む。
平面において磁場の大きさおよび方位を測定するための磁気抵抗センサシステムを包含し、
上記磁気抵抗センサシステムは、
回転可能な磁化方位を有する強磁性自由層から成る磁気抵抗センサと、
ピンでとめられた磁化方位を有する強磁性リファレンス層と、
そららの間に障壁層と、
第1の交流ドライブ電流を担持するために磁気抵抗センサにかぶせている第1のストラップと、
第2の交流ドライブ電流を担持するために磁気抵抗センサにかぶせている第2のストラップであって、第2の交流ドライブ電流が、第1の交流ドライブ電流とは位相が異なることを特徴とする、第2のストラップと、
を有し、
第2のストラップは、第1のストラップの一部の上に横たわり、磁気抵抗センサは、平面において、回転している周期的回動ドライブ磁場に従属する、ことを特徴とする。
磁気抵抗センサから出力された電圧出力を受け取り、出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出する検出回路を更に有し、
測定される磁場の大きさは、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの振幅と比例し、測定される磁場の方位は、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの位相角に単に関係する、ことを特徴とする実施形態9の磁気抵抗センサシステムを含む。
磁気抵抗センサから出力されている出力電圧を入力としてとるバンドパスフィルタと;
センス電圧をバンドパスフィルタから入力としてとり、周波数生成器から基準信号を入力としてとる位相高感度探知器と、を有する、
ことを特徴とする、実施形態10の磁気抵抗センサシステムを含む。
第1のヌル電流を第1のストラップに提供し、第2のヌル電流を第2のストラップに提供するフィードバック回路を更に有することを特徴とする実施形態9-11のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
検出回路が、
フーリエ分解された出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出し、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントのX−投影(projection)を示す信号と、
出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を示す信号とを出力するデジタル・プロセッサ
を含むことを特徴とする実施形態10-12のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
磁気抵抗センサが、巨大な磁気抵抗器であることを特徴とする、実施形態9-14のいずれかの磁気抵抗センサシステムを含む。
磁気抵抗センサが、磁気トンネル接合であることを特徴とする、実施形態9-15のいずれかの磁気抵抗センサシステムを含む。
第1のストラップに第1の交流ドライブ電流を供給し、第2のストラップに第2の交流ドライブ電流を供給する周波数生成器を更に有し、
磁気抵抗センサ、第1のストラップ、第2のストラップおよび周波数生成器が、シリコン基板に統合される、ことを特徴とする実施形態9-16のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
第1のストラップが、第一の方向に伸びている寸法を有し、第2のストラップが、第2の方向(第1の方向に対して垂直な第2の方向)に伸びている寸法を有し、第2の交流ドライブ電流が、第1の交流ドライブ電流とは位相が90度異なることを特徴とする、実施形態9-18のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
磁気抵抗センサシステムが:
スイッチで切り替え可能な磁化方位、ピンでとめられた磁化方位を有する強磁性リファレンス層、および、それらの間に障壁層を有する強磁性自由層を有する磁気抵抗センサと;
第1のストラップで第1の交流ドライブ電流を担持するための第1のドライブ・ストラップであって、第1のストラップの少なくとも一部が磁気抵抗センサの上に横たわり、第1のストラップが第一の方向に伸びる大きさを有することを特徴とする第1のドライブ・ストラップと、
ドライブ周波数で第2の交流ドライブ電流を担持するための第2のドライブ・ストラップであって、第2のストラップの少なくとも一部が第1のストラップの一部の上に横たわり、第2のストラップが第2の方向に伸びる大きさを有し、第2の方向が第1の方向とは平行でないことを特徴とする第2のドライブ・ストラップと、
第1のドライブ・ストラップに第1の交流ドライブ電流を供給し、第2のドライブ・ストラップに第2の交流ドライブ電流を供給する生成器と、
磁気抵抗センサからの出力電圧を入力し、第1および第2のドライブ交流ドライブ電流の周波数の2倍である最初の周波数で基準信号を入力し、出力電圧の2次高調波コンポーネントのX−投影(projection)を示す信号を出力し、
出力電圧の2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を示す信号を出力するように操作可能な検出回路と、
出力電圧の2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を表す信号を増幅する第1のアンプと、
出力電圧の2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を示す増幅された信号を統合し、第1のドライブ・ストラップに第1のヌル電流を出力する第1のインテグレータと、
第1のインテグレータの出力で第1の直列抵抗であって、第1の直列抵抗全体の電圧低下が、適用された磁場のY-コンポーネントに比例することを特徴とする、第1の直列抵抗と、
出力電圧の2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を表す信号を増幅する第2のアンプと、
出力電圧の2次高調波コンポーネントのX−投影(projection)を表す増幅された信号を統合し、第2のドライブ・ストラップに第2のヌル電流を出力する第2のインテグレータと、
第2のインテグレータの出力の第2の直列抵抗であって、第2の直列抵抗全体の電圧低下が、適用された磁場のX-コンポーネントに比例していることを特徴とする、第2の直列抵抗と、
を有することを特徴とする。
Claims (3)
- 平面(X−Y)に適用された磁場(450)を測定する方法であって、
第1の交流ドライブ電流(431)を第1のストラップ(71)に適用するステップであって、第1のストラップの少なくとも一部(65)が、磁気抵抗センサ(10)の上に横たわり、第1のストラップが、第1の方向(X)に延びる大きさを有することを特徴とするステップと、
第2の交流ドライブ電流(432)を第2のストラップ(72)に同時に適用するステップであって、第2のストラップの少なくとも一部(66)が第1のストラップの少なくとも一部の上に横たわり、第2のストラップが第2の方向(Y)に延びる大きさを有し、第2の方向が、第1の方向と並行ではなく、第2の交流ドライブ電流が、第1の交流ドライブ電流と位相が異なり、磁気抵抗センサが、磁気抵抗センサの平面で回転する周期的回転磁気ドライブ磁場(440)に影響を受けることを特徴とするステップと、
測定される適用された磁場が、平面の周期的な回転磁気ドライブ磁場回転で重畳されるとき、磁気抵抗センサから出力電圧(Vout)出力の2次高調波コンポーネントを抽出するステップとを有し、
平面で測定される適用された磁場の大きさが、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの振幅(|Happlied|)に比例し、平面で測定される適用された磁場の方位(φ)が、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの位相角に関係する、ことを特徴とする方法。 - 出力電圧(Vout)の抽出された2次高調波コンポーネントのX−投影(projection)を示す信号(330)を出力するステップと、
出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントのY−投影(projection)を示す信号(331)を出力するステップと、
を更に有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 平面(X−Y)の磁場(450)の大きさ(|Happlied|)および方位(φ)を測定するための磁気抵抗センサシステム(4)であって、
磁気抵抗センサシステムが、
回転可能な磁化方位を備えた強磁性自由層(60)と、ピン固定された磁化方位を備えた強磁性自由層(50)と、それらの間に障壁層(40)とを備えた磁気抵抗センサ(10)と、
第1の交流ドライブ電流(431)を運ぶために磁気抵抗センサが上に横たわる第1のストラップ(71)と、
第2の交流ドライブ電流(432)を運ぶために磁気抵抗センサが上に横たわる第2のストラップ(72)であって、前記第2の交流ドライブ電流が前記第1の交流ドライブ電流とは位相が異なり、前記第2のストラップが、前記第1のストラップの一部(66)の上に横たわり、磁気抵抗センサが平面において周期的に回転するドライブ磁場(440)回転にさらされることを特徴とする、第2のストラップ(72)と、
磁気抵抗センサ(10)から出力電圧(Vout)出力を受け、出力電圧の2次高調波コンポーネントを抽出するための検出回路(150)であって、測定される磁場(450)の大きさ(|Happlied|)が、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの振幅に比例し、測定される磁場の方位が、出力電圧の抽出された2次高調波コンポーネントの位相角に単純に関係することを特徴とする検出回路(150)と
を有することを特徴とする磁気抵抗センサシステム(4)。
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