JP5780760B2 - ブリッジにおけるｇｍｒセンサの整合 - Google Patents

Description

この発明は一般に、磁場センサに関し、さらに詳細には、外部磁場を検出するために磁気抵抗（ＭＲ）素子を使用する磁場センサの設計に関する。

アナログ集積回路（ＩＣ）設計では、高精度の回路性能を達成するために、整合デバイス、すなわち、同じ電気特性を有するように設計されたデバイスを使用することが重要である。このため、重大な設計課題は、ＩＣ上に構築される個々のデバイスの変動を含む。不整合のもとは、幾何学的形状の変動、質の悪いレイアウトならびに製造プロセスおよび動作環境の不均一性を含む。製造プロセスの不均一性は、例えば、マスク位置合わせのずれおよび不均一なエッチングによって導入される可能性がある。

ある種のデバイスは、隣接したデバイスに対して非常に敏感である。隣接の相互作用がまた、デバイス不整合に大きく寄与することがある。

一般に、一態様では、本発明は、１つまたは複数の磁気抵抗（ＭＲ）素子と１つまたは複数のダミーＭＲ素子とを含むセンサに向けられる。それぞれのそのようなダミーＭＲ素子は、１つまたは複数のＭＲ素子の選択された１つの近くに配置される。

本発明の実施形態は、次の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。１つまたは複数のＭＲ素子および１つまたは複数のダミーＭＲ素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子であってもよい。１つまたは複数のＭＲ素子は、ブリッジ回路を形成するように電気的に接続されたＭＲ素子であってもよく、それぞれのダミーＭＲ素子は、ブリッジ回路のＭＲ素子の選択された１つの近くに配置されてもよい。ＭＲ素子の選択された１つは、隣接ＭＲ素子としてブリッジ回路のＭＲ素子のもう１つとダミーＭＲ素子とを有してもよく、ここで隣接素子は、ＭＲ素子の選択された１つの対向する両側に配置され、ＭＲ素子の選択された１つに対して構造および位置に関して対称的である。ブリッジ回路は、全ブリッジ回路または半ブリッジ回路であってもよい。隣接素子は、遮蔽されたＭＲ素子であってもよい。ダミーＭＲ素子は、センサ動作中に、隣接素子が同様の大きさの電流を通すように、電圧源に接続されてもよい。ブリッジ回路のＭＲ素子はすべて、能動ＭＲ素子であってもよい。センサはさらに、ブリッジ回路の出力に接続される増幅器と電流が貫通して印加される導体とを含んでもよく、ここで増幅器は、出力として印加電流に比例する出力電圧を提供する。

別の態様では、本発明は、角度測定デバイスに向けられる。角度測定デバイスは、第１の検出デバイスと第２の検出デバイスとを含む。第１および第２の検出デバイスの各々は、ブリッジ回路を形成するように電気的に接続されたＭＲ素子と１つまたは複数のダミーＭＲ素子とを含む。それぞれのそのようなダミーＭＲ素子は、ＭＲ素子の選択された１つの近くに配置される。第２の検出デバイスのＭＲ素子は、第１の検出デバイスのＭＲ素子に対して所定の角度で提供される。

さらに別の態様では、本発明は、ブリッジ回路を形成するように電気的に接続されたＭＲ素子とダミーＭＲ素子とを含む検出デバイスに向けられる。ブリッジ回路のＭＲ素子の１つは、能動ＭＲ素子であり、隣接素子としてブリッジ回路のＭＲ素子のもう１つとダミーＭＲ素子とを有する。隣接素子は、能動ＭＲ素子の対向する両側に配置され、能動ＭＲ素子に対して構造および位置に関して対称的である。

本発明の特定の実施は、次の利点の１つまたは複数を提供してもよい。ダミーＭＲ素子は、ブリッジ回路レイアウトに対称性を提供することができ、さもなければそのような対称性が欠けていることもあり得る。能動ＭＲ素子に近いＭＲ素子の対称性は、最隣接の誘導磁場効果に起因する変動を低減する働きをする。加えて、ダミーＭＲ素子は、ブリッジＭＲ素子が均一にパターン形成できるように、ブリッジ回路レイアウトの最も外側のエッジに提供されてもよい。

本発明の先の特徴、ならびに本発明それ自体は、図面の次の詳細な説明からより完全に理解されよう。

全ブリッジ（４つのＭＲ素子の）および２つのダミーＭＲ素子を含む、例示の磁気抵抗（ＭＲ）検出デバイスを示す図である。 全ブリッジおよび２つの通電ダミーＭＲ素子を含む、例示のＭＲ検出デバイスを示す図である。 ２つのダミーＭＲ素子、およびブリッジＭＲ素子がすべて検出素子である全ブリッジを含む、例示のＭＲ検出デバイスを示す図である。 半ブリッジ（２つのＭＲ素子の）および２つのダミーＭＲ素子を含む、ＭＲ検出デバイス例を示す図である。 図２のＭＲ検出デバイスを用いる、例示の電流センサを示す図である。 図１〜４で示されるそれらに類似するＭＲ検出デバイスを用いる、例示の角度センサを示す図である。 図１〜４で示されるそれらに類似するＭＲ検出デバイスを用いる、例示の角度センサを示す図である。 図６Ａで示される角度センサを利用する、例示の角度測定デバイスを示す図である。

抵抗器不整合は、ブリッジ内の抵抗器に同じ値をもつことを要求する抵抗ブリッジ回路の設計で重大な問題となることがある。これは特に、磁気抵抗（ＭＲ）センサで使用されるブリッジ回路の場合に当てはまる。ＭＲセンサは、ＭＲ効果、すなわち外部磁場の存在下でその抵抗を変える導電材料の特性を使用する磁場センサである。本明細書ではＭＲ素子と呼ばれる、センサのブリッジ回路のＭＲ型抵抗器または「磁気抵抗器」は、隣接ＭＲ素子の浮遊磁場効果に非常に敏感である。隣接相互作用は、ＭＲ素子の電気的挙動の変動をもたらす。全ての変動は、どんなに小さくても、ＭＲセンサの感度および全体的な精度を制限することがあり得る。ＭＲセンサの回路はまた、他の種類の回路と同様に、デバイス製造中に特定のプロセスによって導入される不均一性によっても影響を受ける。プロセスに関連する不均一性はしばしば、回路レイアウトの外縁で生じ、それ故に外側の素子に影響を及ぼす。例えば、外側の素子は、外側の素子ではないそれらの素子よりも、回路レイアウトの外縁におけるより高い濃度の腐食液に起因してより速い速度でエッチングされ得る（従ってより高い抵抗を有する）。

従って、センサ回路構成におけるレイアウトに依存する感度および／またはプロセスに関連する不均一性の影響を軽減するために、本発明は、ブリッジ回路の選択されたＭＲ素子の近くに配置された「ダミーＭＲ素子」の使用を特色とする。ダミーＭＲ素子は、非機能素子、すなわちブリッジ回路の一部分ではないまたはブリッジ回路の動作に必要とされない素子である。ダミーＭＲ素子は、以下で述べられるように、各種の場所（ブリッジレイアウト内の）でおよび各種の理由のために使用されてもよい。

本明細書で参照されるＭＲ素子は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）デバイス；ピン止めされないサンドイッチ、反強磁性多層およびスピンバルブを含む巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイス；磁気トンネル接合（ＭＴＪ、またスピン依存トンネルすなわち「ＳＤＴ」としても周知である）デバイス；トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスを含むが、それらには限定されない、任意の種類のＭＲデバイスから製造されてもよい。

図１を参照すると、全（または「ホイートストン」）ブリッジ回路２０を形成するように接続されたＭＲ素子１２、１４、１６、１８を含むＭＲ検出デバイス１０が示される。ラベル「ＶＣＣ」および「ＧＮＤ」はそれぞれ、電圧源および接地端子を表示する。ブリッジ回路の一方の側では、ＭＲ素子１２および１４が、ＶＣＣとＧＮＤとの間で直列に接続される。ブリッジ回路のもう一方の側では、ＭＲ素子１６および１８が、ＶＣＣとＧＮＤとの間で直列に接続される。第１の出力（Ｖｏｕｔ１）２２は、ノード「ａ」においてＭＲ素子１２、１４間に提供される。第２の出力（Ｖｏｕｔ２）２４は、ノード「ｂ」においてＭＲ素子１６、１８間に提供される。

図１で示される実施形態では、４つのＭＲ素子のうちの２つ、ＭＲ素子１４およびＭＲ素子１６は、当該素子を印加磁場から分離し、それらが基準素子として働くことを可能にする磁気シールドによって覆われる。ＭＲ素子１４、１６はそれぞれ、磁気シールド２６、２８によって覆われる。磁気シールドを備えるＭＲ素子１４、１６はそれぞれ、遮蔽されたＭＲ素子３０、３２として示される。残りの２つのＭＲ素子、ＭＲ素子１２および１８は、磁場にさらされ、そのため能動（または検出）素子として動作する。磁気遮蔽は、ＭＲ素子をＮｉＦｅなどの高透磁率材料で囲むことによって達成されてもよい。磁気遮蔽は、多層遮蔽であってもよい。

動作中に、差動出力電圧が、ブリッジ回路出力２２、２４間で利用できる。さらに詳細には、電力がブリッジ回路に供給された状態で、磁場の存在は、ブリッジＭＲ素子に抵抗の変化を引き起こし、抵抗の変化は、ブリッジ出力２２、２４間に対応する電圧の変化を生成する。ＭＲ素子は、それぞれの素子の感受性軸（矢印によって概略的に表示される）が、他の素子の感受性軸と平行であるように向きを合わせられる。出力２２、２４間の電圧は、感受性軸の方向における磁場が増加するときに増加する。

検出デバイス１０はまた、少なくとも１つのダミーＭＲ素子も含む。図１に示される実施形態では、ダミーＭＲ素子３４およびダミーＭＲ素子３６として示される、２つのダミー素子がある。磁気シールド３７は、ダミーＭＲ素子３６に提供され、それ故に磁気シールド３７およびダミーＭＲ素子３６は、遮蔽されたダミーＭＲ素子３８を形成する。この特定の実施形態では、ダミーＭＲ素子の各々は、図示されるように、両端でＧＮＤに接続される。

検出デバイス１０は、概略図によって例示されるものの、この図（ならびに後で述べられる他の図）におけるＭＲ素子の配置は、ダミーＭＲ素子がどのように使用されるかをできるだけ単純化して伝えるために実際のレイアウト（平面図から）の配置を提示することを意図されている。それ故に、検出デバイス１０のＭＲおよびダミーＭＲ素子は、順序３４、３０、１２、３２、１８、３８で水平に（左から右へ）配置された、対応するＭＲパターンを表すために示される。ダミーＭＲ素子３４は、遮蔽されたＭＲ素子３０の左側に配置され、遮蔽されたダミーＭＲ素子３８は、ＭＲ素子１８の右側に配置される。それぞれのダミーＭＲ素子は、外側のブリッジＭＲ素子が類似素子の側に配置されるように、そのブリッジＭＲ素子の隣に置かれる。ダミーＭＲ素子３４の、寸法、形状、構成および向きによって定義される構造、ならびに配置（遮蔽されたＭＲ素子３０に対して）は、ＭＲ素子１２に類似するように選択される。同様に、遮蔽されたダミーＭＲ素子３８の構造および配置（ＭＲ素子１８に対して）は、遮蔽されたＭＲ素子３２に類似するように選択される。それ故に、遮蔽されたＭＲ素子３２は、遮蔽されたダミーＭＲ素子３８の類似ＭＲ素子として参照されてもよく、ＭＲ素子１２は、ダミーＭＲ素子３４の類似ＭＲ素子として参照されてもよい。それらは、同じ材料から製造され、同じ薄膜プロセスステップで処理されるので、ダミー素子およびブリッジ回路内の対応する類似ＭＲ素子は、非常に類似する特性（電気的、磁気的、熱的および機械的特性などの、各種の特性に関して）を示すことになる。上で述べられたように、ブリッジおよびダミーＭＲ素子の構造は、ＧＭＲ、ＭＴＪ、ＴＭＲおよびＡＭＲなどの、任意の種類のＭＲ技術を利用してもよい。

「類似」構造は、もし対応するブリッジ素子が遮蔽されるならば、磁気遮蔽を含むことができる。それ故に、図１で示される例では、ブリッジＭＲ素子３２は、遮蔽されたＭＲ素子であるので、類似ダミーＭＲ素子３８はまた、遮蔽されたＭＲ素子として提供される。ダミーＭＲ素子の追加により、外側のＭＲ素子３０および１８はそれぞれ現在、内側のＭＲ素子１２および３２が挙動する同じ方法でその隣接素子に対称性を「見る」。結果として、ブリッジ回路の４つのＭＲ素子のより最適な整合が、達成される。

少なくとも、対称性を達成するために必要に応じて（能動ブリッジ素子が２つの隣接ブリッジ素子をすでにもたないとき）ダミーＭＲ素子を使用して、それぞれの「能動」ブリッジ素子が対称的に平衡になることは、望ましい。隣接素子相互作用に敏感であるのは、能動ＭＲ素子である。不均一性がブリッジ素子の代わりにダミーＭＲ素子（ブリッジ回路の一部分ではない）に強い影響を及ぼすので、ブリッジ回路レイアウトの外縁で生じる、プロセス処理に関連する不均一性が特に関係しているときには、遮蔽された（またはさもなければ非検出）ＭＲ素子に近いダミーＭＲ素子の使用はまた、有利でもある。しかしながら、ただ１つのダミーＭＲ素子の使用は、もし可能であれば、設計の簡略化およびセンサの寸法の減少を可能にする。

ダミーＭＲ素子の構造および配置は、外側のブリッジＭＲ素子の対向する側に置かれる類似ブリッジＭＲ素子、すなわち、外側のブリッジＭＲ素子に最も近い隣接ブリッジＭＲ素子の配置に（できるだけ密接に）整合するように選択される。結果として生じるレイアウトでは、外側のブリッジＭＲ素子は、両側で同じ環境（磁気効果）を見ることになる。ブリッジＭＲ素子に対するダミーＭＲ素子の配置は、改善された抵抗器整合のためのＭＲブリッジ回路において外側のＭＲ素子に対称性および均一性の特性を提供する働きをする。

実際のレイアウトでは、ブリッジ回路のＭＲ素子、特にＧＭＲおよびＭＪＴ素子は、水平および／または垂直軸に沿って、他のＭＲ素子の１つまたは複数と整列させられる傾向があることは、理解されよう。ＭＲ素子はまた、近似的に半円の、交互配置のまたはある他のパターンで配置されてもよい。

代替実施形態では、ダミーＭＲ素子は、図２で示されるように、一端で電圧源に接続されてもよい。図２を参照すると、検出デバイス４０は、図１で示されるのと同じ全ブリッジ回路２０を含む。しかしながら、図２で例示される実施形態では、ダミーＭＲ素子３４、３６は、各々がその対応する類似ブリッジＭＲ素子と同様の大きさの電流を通すことができる導電ダミーＭＲ素子４２、４４によってそれぞれ置き換えられる。図１におけるダミーＭＲ素子３６に類似するダミーＭＲ素子４４は、磁気シールド（磁気シールド４６として示される）によって覆われる。磁気シールド４６を備えるダミーＭＲ素子４４は、遮蔽されたダミーＭＲ素子４８として示される。ダミーＭＲ素子４２によって導電される電流の大きさは、類似ブリッジＭＲ素子１２によって導電される電流の大きさと同様であり、遮蔽されたダミーＭＲ素子４８によって導電される電流の大きさは、類似の遮蔽されたブリッジＭＲ素子３２によって導電される電流の大きさと同様である。ダミーＭＲ素子４２の一端は、端子５０において電圧源（ＶＣＣ／２）に結合される。ダミーＭＲ素子４２の他端は、ＧＮＤに接続される。同様に、遮蔽されたダミーＭＲ素子４８の一端は、端子５２においてＶＣＣ／２に結合され、他端は、ＧＮＤに接続される。この種の構成は、ダミーＭＲ素子およびその対応する類似ＭＲブリッジ素子がまた、同様の熱プロフィール（熱対称のために）も有することを保証する。

図１〜２で示されるブリッジ構成では、２つの能動ＭＲ素子１２および１８は、ブリッジ回路の対向する側にあり、類似の応答を有する−それらは両方とも、値が増加するまたは値が減少する。代替構成では、２つの能動ＭＲ素子は、ブリッジの同じ側にあり（すなわち、直列に接続されている）、反対方向に変化する抵抗を有してもよい。

遮蔽されたデバイスは、磁束集中器として働くことができるので、ある設計では遮蔽されないデバイスだけを使用することが望ましいこともある。図１および２の検出デバイスの４つのブリッジＭＲ素子の２つは、遮蔽されたデバイスとして示されるけれども、本明細書で述べられるようなダミーＭＲ素子を備える検出デバイスは、どんな遮蔽された素子も含む必要がない。例えば、２つの遮蔽されたブリッジＭＲ素子はそれぞれ、外部磁場に応答しないある種の遮蔽されないＭＲ素子、例えば、発明者Ｗｉｌｌｉａｍ Ｐ．ＴａｙｌｏｒおよびＭｉｃｈａｅｌ Ｃ．Ｄｏｏｇｕｅにより２００４年１０月１２日に出願され、従属出願の譲受人、Ａｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ、Ｉｎｃ．に譲渡された「Ｒｅｓｉｓｔｏｒ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（所定の温度係数を有する抵抗器）」という名称の米国特許出願第１０／９６２８８９号で述べられる種類の構造によって置き換えられてもよい。そのような素子はなお、ブリッジ回路における参照素子として働くことになる。ダミーＭＲ素子の１つはまた、そのような方法で製造される必要もあることになることが留意されるべきである。他の構成では、ブリッジ回路を形成するＭＲ素子はすべて、能動素子であってもよい。

図３は、ＭＲ素子６２、６４、６６、６８として示されるブリッジＭＲ素子がすべて能動素子である検出デバイス６０を例示する。ＭＲ素子６２、６４、６６、６８は、第１のブリッジ出力７２および第２のブリッジ出力７４を有する全ブリッジ回路７０を形成するように接続される。ブリッジＭＲ素子がすべてアクティブであるので、通電ダミーＭＲ素子７６、７８として示されるダミーＭＲ素子は、遮蔽されず、能動ブリッジ素子のように製造される。ブリッジ素子がすべて能動素子であるこの種のブリッジ回路構成では、ブリッジ素子は、ＭＲ素子６２および６６の抵抗が減少する間にＭＲ素子６４および６８の抵抗が増加する（検出されるべき外部磁場の増加とともに）ように、磁気的に向きを合わせられる。異なる向きを持つ能動ブリッジＭＲ素子を構成するために任意の技術が、使用されてもよい。一例は、「Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｓｐｉｎ Ｖａｌｖｅ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ Ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ Ｃｏｍｍｏｎ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（共通基板上に形成されたスピンバルブ磁気抵抗素子を有するブリッジ回路磁場センサ）」という名称のＤｏｖｅｋその他への米国特許第５５６１３６８号で述べられる。

さらに別の代替実施形態では、および図４を次に参照すると、ブリッジ回路は、半ブリッジ回路として実施されてもよい。半ブリッジ回路はまた、抵抗器（または電圧）除算回路としても周知である。図４は、半ブリッジ回路８２を含む検出デバイス８０を示す。検出デバイス８０はまた、磁気シールド８６を有するダミーＭＲ素子８４（遮蔽されたダミーＭＲ素子８８）およびダミーＭＲ素子９０も含む。半ブリッジ回路８２は、２つのブリッジＭＲ素子、磁気シールド９４を有するブリッジＭＲ素子９２（遮蔽されたＭＲ素子９６）およびブリッジＭＲ素子９８を含む。遮蔽されたＭＲ素子９６およびＭＲ素子９８は、ＶＣＣとＧＮＤとの間で直列に接続され、遮蔽されたＭＲ素子９６がＶＣＣに接続され、ＭＲ素子９８がＧＮＤに接続される。シングルエンドの出力電圧は、ブリッジ出力Ｖｏｕｔ９９において提供される。ダミーＭＲ素子８８、９０はそれぞれ、ＶＣＣ／２およびＧＮＤに接続される。別法として、ダミーＭＲ素子８８、９０の各々は、両端でＧＮＤに接続されてもよい（図１で示される全ブリッジ実施のダミーＭＲ素子３４、３８のように）。検出デバイス８０は、遮蔽されたＭＲ素子を含むように示されるけれども、ブリッジ回路の全ブリッジ実現を参照して先に論じられたように、それは、磁気的に遮蔽されたＭＲ素子なしで実施されてもよいことが理解されよう。すなわち、基準ブリッジ素子は、遮蔽されない基準ブリッジ素子として構成されてもよい。類似ダミーＭＲ素子は、同様に構成されてもよい。また先にも述べられたように、ブリッジ回路は、両方のダミーＭＲ素子を含む必要はない。それ故に、図４の半ブリッジ実施形態では、ダミーＭＲ素子９０は、省略されてもよい。

磁場検出は、制御および測定の目的−例えば、近接検出、線形および回転位置検出、電流検出および角度位置検出のために利用される。それ故に、その例が上の図１〜４で例示され、上の図１〜４を参照して述べられる、少なくとも１つのダミー素子を備えるＭＲ検出デバイスは、数例を挙げると、電流センサまたは角度センサなどの、各種の種類のＭＲセンサ応用で使用されてもよい。図５は、例示の電流センサを示す。図６Ａ〜６Ｂは、角度センサの異なる例を示す。

図５を参照すると、電流センサ１００は、図２で示されるものに類似するまたは同様の全ブリッジ構成に基づくＭＲ検出デバイスを含む。図５の全ブリッジ構成では、能動ブリッジＭＲ素子１２、１８の各々は、類似構造によって対称的に平衡を保たれている。遮蔽されたダミーＭＲ素子４８および遮蔽されたブリッジＭＲ素子３２は、能動ブリッジＭＲ素子１８の対向する両側に配置される。遮蔽されたブリッジＭＲ素子３０および遮蔽されたダミーＭＲ素子１０１は、能動ブリッジＭＲ素子１２の対向する両側に配置される。ＭＲ検出デバイスのブリッジ出力、ブリッジ出力２２および２４は、増幅器１０２に結合される。電流センサ１００はまた、伝導経路１０４も含む。測定されるべき電流は、矢印１０６によって表示される方向で伝導経路に印加されることになる。動作中に、伝導経路１０４を貫流する印加電流は、能動ブリッジＭＲ素子１２および１８によって検出される磁場を発生する。検出磁場は、ブリッジ出力２２、２４間の比例電圧に変換される。ブリッジ出力２２は、増幅器１０２の負入力に接続される。もう一方のブリッジ出力２４は、増幅器１０２の正入力に接続される。増幅器の出力は、電流センサ電圧出力（Ｖｏｕｔ）１０８として提供され、また抵抗器１１０を通じてＧＮＤに接続される。電流は、Ｖｏｕｔで利用できる電圧および抵抗器１１０から決定できる。例示される設計は、簡単な、開ループ電流センサのそれであるが、他の電流センサ設計（例えば、他の種類の開ループまたは閉ループ設計）がまた、考えられる。

図６Ａを参照すると、角度センサ１２０は、互いにオフセット角９０°で位置決めされた２つの検出デバイス（半ブリッジとして示されるブリッジを備える）１２２および１２４を含む。それぞれの検出デバイスは、検出デバイス１２２、１２４内でそれぞれ抵抗器１２６ａ、１２６ｂとして示され、ＶＣＣに接続される固定値抵抗器、および検出デバイス１２２、１２４内でそれぞれＭＲ素子１２８ａ、１２８ｂとして示され、ＧＮＤにもまた接続される能動ＭＲ素子を含む。それぞれの検出デバイス内で、固定値抵抗器は、ハーフブリッジ回路を形成するように能動ＭＲ素子に接続される。それぞれの検出デバイス内でＭＲ素子の両側に配置されるのは、ＶＣＣにおよびＧＮＤに接続されるダミーＭＲ素子である。検出デバイス１２２内のダミーＭＲ素子は、ダミーＭＲ素子１３０ａおよび１３２ａとして示される。検出デバイス１２４内のダミーＭＲ素子は、ダミーＭＲ素子１３０ｂおよび１３２ｂとして示される。この実施では、それぞれの検出デバイス内のダミーＭＲ素子は、類似素子である。ブリッジ出力は、ブリッジ出力１３４ａ（検出デバイス１２２のための）およびブリッジ出力１３４ｂ（検出デバイス１２４のための）として示される。

図６Ｂでは、角度センサ１４０は、互いにオフセット角９０度で位置決めされた２つの検出デバイス（再び、半ブリッジとして示されるブリッジを備える）１４２および１４４を含む。それぞれの検出デバイス内で、ブリッジ抵抗器は両方とも、ＭＲ素子であり、１つはアクティブで、１つは遮蔽されている。検出デバイス１４２は、ＶＣＣにおよび能動ＭＲ素子１４８ａに接続された、遮蔽されたＭＲ素子１４６ａを含み、能動ＭＲ素子１４８ａはまた、ＧＮＤにも接続される。検出デバイス１４２はまた、単一の遮蔽されたダミーＭＲ素子１５０ａも含む。検出デバイス１４４は、ＶＣＣにおよび能動ＭＲ素子１４８ｂに接続された、遮蔽されたＭＲ素子１４６ｂを含み、能動ＭＲ素子１４８ｂはまた、ＧＮＤにも接続される。検出デバイス１４４は、単一の遮蔽されたダミーＭＲ素子１５０ｂを含む。それぞれの検出デバイス内で、能動ＭＲ素子および遮蔽されたＭＲ素子は、ハーフブリッジ回路を形成するように接続される。それぞれの検出デバイス内で、遮蔽されたダミーＭＲ素子は、それぞれの能動ＭＲ素子の一方の側に配置されて、能動ＭＲ素子の反対側の遮蔽されたブリッジ素子と平衡を保つ。検出デバイス１４２、１４４の出力はそれぞれ、出力１５２ａ、１５２ｂとして示される。

これらの両方の構成（図６Ａおよび６Ｂの）では、ブリッジ出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２における出力信号は、９０°の電気的位相シフトを示すことになる。他の角度のオフセットおよび位相シフトが選択されてもよいことは、理解されよう。また、２つの半ブリッジが示されるけれども、角度センサは、代わりに２つの全ブリッジで実現されてもよい。

一例示の角度位置検出応用では、角度センサは、静止しており、永久磁石が、角度センサの近くの回転軸（ローター）に取り付けられる。磁石は、角度センサの平面内にあり、回転磁石／ローター組立て体とともに回転する磁場を生成する。従って、供給電圧がブリッジに印加されるとき、永久磁石に対するセンサの素子の空間位置に起因して、１つのブリッジ出力電圧は、正弦関数であってもよく、もう一方のブリッジ出力電圧は、余弦関数であってもよい。

図７は、角度値を決定するために角度センサの出力を利用する角度測定デバイス１６０を示す。角度測定デバイス１６０は、角度センサ、例えば、図６Ａからの角度センサ１２０（図示されるように）または図６Ｂからの角度センサ１４０、およびセンサ信号調整ユニット１６２を含む。信号調整ユニット１６２は、角度計算を行う。それは、角度センサ１２０からの２つの出力信号を１つのデジタル出力信号に組み合わせる。信号調整ユニット１６２は、代わりにアナログ出力を提供するように設計されてもよいけれど、デジタル出力を提供する。センサのブリッジ出力１３４ａ、１３４ｂに提供される出力信号は、標本化され、次いでアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１６４によってデジタル領域に変換される。プロセッサ（またはマイクロコントローラ）１６６は、ＡＤＣ出力１６８ａ、１６８ｂとして示される、センサ出力信号のデジタル表現を受け取り、それらから角度値を決定する。各種の周知のアルゴリズム、例えば、ＣＯＲＤＩＣアルゴリズムが、角度計算を行うために使用されてもよい。クロックおよび制御信号は、クロック発生および制御回路１６９によってＡＤＣ１６４およびプロセッサ１６６に提供される。いったん角度が決定されると、それは、外部コントローラまたはユーザー（図示されず）によってアクセス可能な出力１７０（信号調整ユニット１６２の）においてデジタル角度値として表される。

センサならびに増幅および信号調整などの関連する電子回路は、別個の集積回路チップ内に詰め込まれてもよい。別法として、センサおよび信号処理電子回路の両方を同じチップ上に組み込むデバイスが、製造されてもよい。

例示される実施形態は、ブリッジ回路を備えるセンサを描くけれども、ダミーＭＲ素子の使用は、磁場検出のために単一ＭＲ素子（ブリッジ回路の代わりに）を使用するように実施されるセンサに同等に応用できることが理解されよう。例えば、プロセスに関連するまたは他の理由のためにそのような実施で、単一ＭＲ素子のそれぞれの側に１つが配置される（能動ブリッジＭＲ素子１２８ａまたは１２８ｂに対して図６Ａで示されるのと同様に）、一対の類似ダミーＭＲ素子を含むことが、望ましいこともある。

本明細書で挙げられたすべての参考文献は、これによって全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の好ましい実施形態を述べたが、それらの概念を組み込む他の実施形態が使用されてもよいことは、当業者には今では明らかになるであろう。従って、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されるべきであると感じられる。

Claims (19)

1. ブリッジ回路を形成するために電気的に接続された磁気抵抗（ＭＲ）素子と、
   １つまたは複数のダミーＭＲ素子と、を含み、各当該ダミーＭＲ素子は、前記ブリッジ回路の前記ＭＲ素子の選択された１つの近くに配置され、
   前記ＭＲ素子の前記選択された１つは、隣接素子として前記ブリッジ回路の前記ＭＲ素子のもう１つと前記ダミーＭＲ素子とを有し、各前記隣接素子は、前記ＭＲ素子の前記選択された１つの対向する両側に配置され、構造に関して類似し、
   前記隣接素子は、前記ＭＲ素子の選択された１つに対して類似するように配置され、前記ダミーＭＲ素子は電圧源に結合され、センサの動作中、各前記隣接素子は同様の大きさの電流を通す、
   センサ。
2. 前記ブリッジ回路は、全ブリッジ回路を含む、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記隣接素子は、遮蔽されたＭＲ素子である、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記ブリッジ回路の前記ＭＲ素子はすべて、能動ＭＲ素子である、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記ブリッジ回路は、半ブリッジ回路を含む、請求項１に記載のセンサ。
6. 前記ブリッジ回路の出力端子に接続される増幅器と、
   電流が供給されて通る導体と、をさらに含み、
   前記増幅器は、出力として前記供給電流に比例する出力電圧を提供する、請求項１に記載のセンサ。
7. 第２のブリッジ回路を形成するように電気的に接続された磁気抵抗（ＭＲ）素子であって、前記ブリッジ回路の前記ＭＲ素子から所定の角度だけオフセットする前記第２のブリッジ回路の前記ＭＲ素子と、
   第２のダミーＭＲ素子と、をさらに含み、
   前記第２のブリッジ回路の前記ＭＲ素子の１つは、能動ＭＲ素子であり、隣接素子として前記第２のブリッジ回路の別の前記ＭＲ素子と前記第２のダミーＭＲ素子とを有し、各前記隣接素子は、前記第２のブリッジ回路の前記能動ＭＲ素子の対向する両側に配置され、構造に関して類似し、
   前記第２のブリッジ回路の前記能動ＭＲ素子の前記隣接素子は、前記能動ＭＲ素子に対して類似するように配置され、前記第２のダミーＭＲ素子は電圧源に結合され、センサの動作中、前記能動ＭＲ素子の各前記隣接素子は同様の大きさの電流を通す、
   請求項１に記載のセンサ。
8. 前記ブリッジ回路および前記第２のブリッジ回路は、半ブリッジ回路である、請求項７に記載のセンサ。
9. 前記所定の角度は、前記ブリッジ回路によって生成される出力信号が所定の電気的位相シフトを示すように選択される、請求項７に記載のセンサ。
10. 前記ＭＲ素子および前記ダミーＭＲ素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を含む、請求項１に記載のセンサ。
11. 前記ＭＲ素子および前記１つまたは複数のダミーＭＲ素子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を含む、請求項１に記載のセンサ。
12. 前記ＭＲ素子および前記１つまたは複数のダミーＭＲ素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を含む、請求項１に記載のセンサ。
13. 第１の検出デバイスと、
    第２の検出デバイスと、を含む角度測定デバイスであって、
    前記第１および第２の検出デバイスの各々は、
    各ブリッジ回路を形成するように電気的に接続された磁気抵抗（ＭＲ）素子と、
    １つまたは複数の各ダミーＭＲ素子と、を含み、各当該ダミーＭＲ素子は、前記ＭＲ素子の選択された１つの近くに配置され、
    前記ＭＲ素子の各選択された１つは、隣接素子として前記各ブリッジ回路の前記ＭＲ素子のもう１つと前記各ダミーＭＲ素子とを有し、各前記隣接素子は、前記ＭＲ素子の前記選択された１つの対向する両側に配置され、構造に関して類似し、
    前記ＭＲ素子の各選択された１つの前記隣接素子は、前記ＭＲ素子の各選択された１つに対して類似するように配置され、前記１つまたは複数のダミーＭＲ素子は各電圧源に結合され、センサの動作中、前記ＭＲ素子の各選択された１つの前記隣接素子は同様の大きさの各電流を通し、
    前記第２の検出デバイスの前記ＭＲ素子と前記１つまたは複数のダミーＭＲ素子は、前記第１の検出デバイスの前記ＭＲ素子と前記１つまたは複数のダミーＭＲ素子に対して所定のオフセット角度で提供される、
    角度測定デバイス。
14. 前記第１および第２の検出デバイスによって生成される出力信号から角度を決定するために、前記第１および第２の検出デバイスに結合されるデバイスをさらに含む、請求項１３に記載の角度測定デバイス。
15. 前記第１および第２の検出デバイスの前記ＭＲ素子は、ＧＭＲ素子を含む、請求項１３に記載の角度測定デバイス。
16. 前記第１および第２の検出デバイスの前記ＭＲ素子は、ＭＴＪ素子を含む、請求項１３に記載の角度測定デバイス。
17. 前記第１および第２の検出デバイスの前記ＭＲ素子は、ＴＭＲ素子を含む、請求項１３に記載の角度測定デバイス。
18. ブリッジ回路を形成するように電気的に接続された磁気抵抗（ＭＲ）素子と、
    ダミーＭＲ素子と、を含む検出デバイスであって、
    前記ブリッジ回路の前記ＭＲ素子の１つは、能動ＭＲ素子であり、隣接素子として前記ブリッジ回路の別の前記ＭＲ素子と前記ダミーＭＲ素子とを有し、前記隣接素子は、前記能動ＭＲ素子の対向する両側に配置され、構造に関して類似し、
    前記隣接素子は、前記能動ＭＲ素子について類似するように配置され、前記ダミーＭＲ素子は電圧源に結合され、センサの動作中、各前記隣接素子は同様の大きさの電流を通す、
    検出デバイス。
19. 磁場を検出する単一のＭＲ素子と、
    一対のダミーＭＲ素子と、を含み、前記対のダミーＭＲ素子は前記単一のＭＲ素子の対抗する両側に配置され、構造に関して類似し、
    前記一対のダミーＭＲ素子は、前記単一のＭＲ素子に対して類似するように配置され、前記ダミーＭＲ素子は電圧源に結合され、センサの動作中、前記一対のダミーＭＲ素子はそれぞれ同様の大きさの電流を通す、
    センサデバイス。

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