KR20130049759A - 단일 자기저항 센서를 이용한 자기장의 평면내 자기장 성분 결정 장치 및 방법 - Google Patents

단일 자기저항 센서를 이용한 자기장의 평면내 자기장 성분 결정 장치 및 방법 Download PDF

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바라트 비. 팬트
라크쉬먼 위타나와삼
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

평면 내에 인가된 자기장을 측정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 자기저항 센서를 오버레잉하는 제1 및 제2 스트랩 각각에 제1 및 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하여 상기 자기저항 센서는 상기 자기저항 센서 내의 평면에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 받는 단계를 구비한다. 측정되는 인가 자기장이 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장에 중첩되면, 본 방법은 상기 자기저항 센서로부터의 출력된 출력 전압의 2차 고조파를 추출하는 단계를 구비한다. 상기 평면에서 측정되는 인가 자기장의 크기가 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭에 비례한다. 상기 평면에서 측정되는 인가 자기장의 배향은 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 위상각과 관련된다.

Description

단일 자기저항 센서를 이용한 자기장의 평면내 자기장 성분 결정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING IN-PLANE MAGNENTIC FIELD COMPONENTS OF A MAGNETIC FIELD USING A SINGLE MAGNETORESISTIVE SENSOR}
본 발명은 단일 자기저항 센서를 이용한 자기장의 평면내 자기장 성분 결정 장치 및 방법에 관한 것이다.
절삭 및 포장할 필요 없이 동일한 기판 상에서 일괄 제조 장치(batch fabricated device)를 이용하여 평면 자기장의 두 성분을 감지할 수 있는 것이 바람직해진다. 종래 사용가능한 기술은 이러한 문제를 이웃한 터널 접합부(tunnel junctions) 상에 직교 고정층(Pinned Layer)/기준층(Reference Layer)(PL/RL) 자화 방향으로 어닐링함으로써 해결한다.
자기 터널 접합이 대략 100%의 높은 자기 저항비(즉, (Rmax-Rmin)/Rmin=ΔR/R)를 가지며, 현재 중간 내지 높은 수준의 자기장을 측정하는데 사용된다. 또한, 자기 터널 접합은 높은 l/f 노이즈를 갖는다. 저주파에서의 높은 노이즈 밀도는 대략 1 kHz 미만의 낮은 주파수에서 작은 수준의 자기장을 측정하기 위한 자기 터널 접합의 사용을 방해한다.
본 출원은 평면 내의 인가된 자기장을 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 스트랩에 제1 교류 구동 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 적어도 제1 스트랩의 일부는 자기저항 센서를 오버레잉(overlaying)한다. 제1 스트랩은 제1 방향으로 연장되는 치수를 갖는다. 또한, 본 방법은 제2 스트랩에 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하는 단계를 포함한다. 제2 스트랩의 적어도 일부는 제1 스트랩의 적어도 일부를 오버레잉한다. 제2 스트랩은 제2 방향으로 연장되는 치수를 갖는다. 제2 방향은 제1 방향에 대해 평행하지 않고, 제2 교류 구동 전류는 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 달라, 자기저항 센서는 상기 자기저항 센서의 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 받는다. 측정되는 인가된 자기장이 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장 상에 중첩되면, 본 방법은 자기저항 센서로부터의 출력되는 출력 전압의 2차 고조파 성분(second harmonic component)을 추출하는 단계를 더 포함한다. 평면 내에서 측정되는 자기장의 크기는 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭에 비례한다. 평면 내에서 측정되는 자기장의 배향은 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 위상각과 관련된다.
청구된 발명의 다양한 실시예들의 상세는 첨부된 도면 및 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 설명에서 설명된다. 다른 특징들 및 장점들은 발명을 실시하기 위한 구체적인 설명, 도면 및 특허청구범위로부터 분명해질 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 다층 자기저항 센서, 제1 구동 스트랩 및 제2 구동 스트랩의 일 실시예의 블록도이다;
도 1b는 도 1a의 자기저항 센서의 X-Y 평면 내에서 각주파수로 주기적으로 회전하는 구동 자기장을 도시한다;
도 2a는 본 발명에 따른 자기 터널 접합부, 전기 콘택, 제1 구동 스트랩 및 제2 구동 스트랩의 일 실시예의 블록도이다;
도 2b는 본 발명에 따른 거대 자기저항기, 전기 콘택, 제1 구동 스트랩 및 제2 구동 스트랩의 일 실시예의 블록도이다;
도 3a는 본 발명에 따른 도 2a의 자기 터널 접합부의 출력 전압을 측정하기 위한 회로의 일 실시예의 블록도이다;
도 3b는 본 발명에 따른 도 2b의 거대 자기저항기의 출력 전압을 측정하기 위한 회로의 일 실시예의 블록도이다;
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 도 1a의 자기저항 센서를 포함하는 자기저항 센서 시스템의 실시예들의 블록도이다;
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 예시적인 자기저항 센서에 인가된 다양한 인가 자기장에 대해 시뮬레이션된 출력을 나타낸다;
도 6은 본 발명에 따른 자기저항 센서를 포함하는 자기저항 센서 시스템의 일 실시예의 블록도이다;
도 7은 조절된 형상의 구동 전류의 실시예들을 나타낸다; 그리고
도 8은 본 발명에 따른 평면내 인가 자기장을 측정하는 방법의 일 실시예의 플로우 차트이다.
다양한 도면들에서 유사한 도면 부호 및 명칭은 유사한 구성요소를 나타낸다.
자기저항(MR) 센서는 자기 컴퍼싱(compassing), 자기 이상 탐지, 기어 톱니 감지 등에 대하여, 즉, 작은 값의 자기장 또는 지구 자기장의 작은 변화를 감지해야 하는 임의의 애플리케이션에서 사용된다. 플럭스 게이트(Fluxgates) 및 초전도 양자간섭계(Superconducting Quantum Interference Devices(SQUIDs))는 작은 값의 자기장 또는 자기장의 작은 변화를 측정할 수 있는 벌크 수준의 자기 센서이다.
칩 스케일 자기저항 센서가 저비용으로 제조될 수 있으며, 이에 따라 이는 벌크 수준의 자기 센서에 대해 유리하다. 이방성 자기저항 센서(Anisotropic MagnetoResistance(AMR) sensors), 거대 자기저항 센서(Giant MagnetoResistance(GMR) sensors) 및 자기 터널 접합 센서(Magnetic Tunnel Junction(MTJ) sensors)가 칩 스케일로 제조된다. GMR 및 MTJ 스택은 자화 배향이 변할 수 있는 강자성 자유층(ferromagnetic free layer), 고정된 자화 배향을 갖는 강자성 기준층 및 이들 사이의 배리어층을 포함한다. 이방성 자기저항기는 대략 2 - 3%의 자기 저항비 ΔR/R를 갖는다. 유익하게는, 거대 자기저항기는 대략 10%의 보다 높은 자기 저항비를 제공한다. 자기 터널 접합부는 대략 100%의 보다 높은 자기 저항비를 제공한다.
칩 스케일 GMR 또는 MTJ 센서의 다른 장점은 작은 크기이다. 예를 들어, 다층 자기저항 센서(GMR 또는 MTJ)는 대략 수십 내지 수백 나노미터의 치수를 가질 수 있다. 100 - 150nm 폭 MTJ를 오버레잉하는 200nm 폭 금속 라인은 32μAmp/Oe의 "자기장 변환 계수(field conversion factor)" 및 미크론 폭 라인은 159μAmp/Oe의 자기장 변환 계수를 갖는다. 따라서, 적절히 형성된 다층 자기저항 센서의 자유층을 전환, 회전 또는 포화시키는데 필요한 자기장이 보통의 전력 소비량을 소모하는 보다 단순한 주문형 반도체(Application-Specific Integrated Circuits(ASICs))를 이용하여 이러한 센서에 보통의 전력을 인가함으로써 생성될 수 있다.
그러나, 다층 자기저항(GMR 또는 MTJ) 센서의 (l/f 및 바르크하우젠(Barkhausen) 노이즈 성분을 포함하는) 노이즈 전력 스펙트럼 밀도는 AMR 센서의 노이즈 전력 스펙트럼 밀도보다 더 높다. 저주파수에서 발생하는 자기 변화에 대해, l/f 노이즈가 우세하므로, 다층 자기저항 센서의 보다 높은 자기 저항비는 이에 상응하여 보다 높은 신호대 잡음비로 옮겨지지 않는다. 다층 자기저항 센서의 높은 자기 저항비를 낮은 최소 검출가능 자기장(mdf) 또는 노이즈 규등 자기장의 해상도로 옮기기 위해, 신호대 잡음(SN)비를 향상시킬 필요가 있다. 1/f 노이즈대 주파수 그래프의 니부(knee) 이상의 주파수에서, 신호대 잡음(SN)비가 증가한다.
다층 자기저항 센서의 신호대 잡음비를 향상시키기 위하여 단일의 다층 자기저항 센서를 이용하여 자기장의 평면 내에서의 자기장 측정을 위한 시스템 및 방법의 실시예가 설명된다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, "평면 내에서의 자기장의 자기장 성분(magnetic field components of a magnetic field in a plane)"은 평면(평면의 축)에 걸친 기저 벡터 상으로의 자기장의 투영(projection)이다. 예를 들어, X-Y 평면 내에서 자기장의 자기장 성분은 X축 및 Y축 상으로의 자기장의 투영이다. 본 명세서에 정의된 바와 같은, "X-Y 평면 내에서의 인가 자기장(applied magnetic field in an X-Y plane)"은 X-Y 평면 상으로 투영된 인가된 자기장이다. 용어 "X-Y 평면(X-Y 평면)", "평면 자기장(planar field)", 및 "선택된 평면(selected plane)"은 본 명세서에서 호환적으로 사용된다. 자기장의 평면내 자기장 성분은 선택된 평면 내에서 자기장의 배향 및 크기를 제공한다. 구체적으로, 자기장의 X-성분 및 Y-투영은 선택된 평면 내에서 자기장의 배향 및 크기를 나타내는 정보를 제공한다. 본 명세서에 기재된 센서 시스템은 고 해상도로 저전력 소모및 저비용을 가능하게 하는 자기 터널 접합부 및/또는 거대 자기저항기의 고유 특성을 이용한다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 다층 자기저항(MR) 센서라는 용어는 AMR 센서보다 높은 자기 저항비를 갖는 자기 터널 접합 센서 및 거대 자기저항 센서 모두에 적용된다.
본 명세서에 설명된 자기저항 센서 시스템은 평면내 인가 자기장의 배향 및 크기가 단일의 터널 접합부를 이용하여 측정되는 점에서 종래 기술과 상이하며, 여기서 단일의 터널 접합부는 웨이퍼 상의 모든 터널 접합부에 대해 직교하는 PL/RL 자화 방향의 동일한 어닐링-인(annealing-in)을 사용하여 웨이퍼 상에서 제조될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재된 터널 접합부는 종래 기술에서 수행되는 바와 같이 고정층/기준층 자화의 직교하는 배향을 생성할 필요가 없다. 본 명세서에 정의된 "인가 자기장(applied magnetic field)"은 자기저항 센서 시스템의 외부에 있는 공급원의 자기저항 센서 상에 입사하는(인가되는) 자기장이다. 본 명세서에 설명된 자기저항 센서 시스템에서, 주기적인 회전형 구동 자기장은 자기저항 센서의 자유층에서 생성된다. 주기적인 회전형 구동 자기장은 자유층을 포화시킬 수 있을 정도로 크지만, 자기저항 센서의 합성 반강자성체가 일반적으로 영향받지 않을 정도록 충분히 작다. 따라서, 자유층은 회전하는 구동 자기장의 주기로 회전한다.
부가적인 외부 DC (또는 저주파) 자기장의 존재하에서, 자기저항 센서의 센서 출력은 위상 감응 검출 기술을 이용하여 검출되는 2차 고조파 성분을 발달시킨다. 2차 고조파 성분의 크기 및 위상각은 각각, 외부 자기장의 크기 및 배향의 함수이며, 이에 따라 평면내 자기장의 양 성분에 대한 결정이 가능해 진다. 검출 회로는 센서 칩 외부에 있거나, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정을 이용하여 MTJ와 함께 실리콘 상에 집적될 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 다층 자기저항(MR) 센서(10), 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)의 일 실시예의 블록도이다. 제1 구동 스트랩(71)(제1 스트랩(71)이라고도 칭함)의 적어도 일부(65)는 자기저항 센서(MS)(10)를 오버레잉하여 제1 교류 구동 전류를 반송한다. 제1 구동 스트랩(71)은 제1 방향으로 연장되는 치수를 갖는다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 방향은 X축에 평행하다. 제2 구동 스트랩(72)(제2 스트랩(72)이라고도 칭함)의 적어도 일부(66)는 자기저항 센서(10) 및 제1 구동 스트랩(71)의 일부(65)를 오버레잉하여 제2 교류 구동 전류를 반송한다. 제2 구동 스트랩(72)은 제2 방향으로 연장되는 치수를 가지며, 제2 방향은 제1 방향에 대해 수직이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 제2 방향은 Y축에 대해 평행하다. 따라서, 제2 스트랩(72)은 제1 스트랩(71)을 오버레잉하고 제1 스트랩에 대해 수직이다. 제2 교류 구동 전류는 제1 교류 구동 전류에 대해 90도로 위상이 어긋나, 자기저항 센서(10)는 자기저항 센서(10)의 X-Y 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 받는다. 본 실시예의 일 구현에서, 제1 방향 및 제2 방향은 직교하지 않으며(평행하지 않으며), 이러한 경우에, 제2 교류 구동 전류는 선택된 평면 내에서 주기적인 회전형 구동 자기장을 발생시키는 양만큼 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 어긋난다. 그러나, 이러한 비-직교 시스템은 부가적인 계산을 필요로 하며 시스템에 대해 복잡성을 더한다.
다층 MR 센서(10)는 하부에서 상부로 적층된 반강자성체(AFM)(20), 합성 반강자성체(SAF)(11), 배리어층(55) 및 자유층(60)을 포함한다. 합성 반강자성체(11)는 하부에서 상부로 적층된 강자성 고정층(30), Ru층(40) 및 기준층(50)을 포함한다. "배리어층(55)"은 "배리어(55)"로도 칭하여진다. 배리어(55)는 센서(10)가 자기 터널 접합 센서인 경우 산화 절연 배리어이다. 배리어(55)는 센서(10)가 GMR 센서인 경우 전도성 비자기 금속층이다.
적절히 설계된 AFM/SAF 구조에서 기준층(50)의 기준층 자화(400)sms "고정(fixed)"된다. 즉, (고수준, 전형적으로 kOe까지의) 인가 자기장은 기준층 자화(400)를 현저히 변화시키지 않는다. 따라서, 기준층(50)은 하드층(hard layer)으로 칭하여진다. 도 1a에 도시된 예시적인 자기저항 센서(10)에서, 기준층(50)의 기준층 자화(400)는 Y축에 평행하다.
기준층(50)은 자유층(60)으로부터 기준층(5)을 분리하는 배리어(55) 바로 아래에 놓인다. 자유층은 자화가 보통의 구동 자기장의 인가로 포화로 구동될 수 있을 정도로 매우 소프트하다. 주기적으로 회전하는 구동 자기장 Hrotating 및 임의의 인가된 자기장 Happlied(450)는 자유층(60)의 자화를 쉽게 변화시킨다. 따라서, 자유층(60)은 소프트층(soft layer)으로 칭하여진다.
자유층(60)의 자화율은 자유층(60)에서 모든 자기 상호작용의 순합의 결과이다. 이는 자유층의 재료 및 자기형태 이방성(shape anisotropy) 뿐만 아니라, 터널 접합을 포함하는 다른 층들의 자기장을 포함한다. 본 발명에 포함된 아이디어는, 예를 들어, 정사각형 또는 직사각형과 같은 다른 기하학적 형태로도 잘 수행되 지만, 유익하게는, 원형 프로파일을 갖는 자유층이 평면 내의 자기형태 이방성을 유리하게 제거한다. 재료, 공정 및 기하학적 형태의 선택의 조합으로 매우 소프트한 자유층이 획득되는 것으로 본 발명에서 추정된다. 이러한 재료, 공정 및 기하학적 형태의 선택은 일반적으로 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 익숙하다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 교류 구동 전류 idrive(f)는 제1 구동 자기장 Hdrive1(f)을 발생시키는 한편, 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)는 제2 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)을 발생시키며, 여기서 Δφ는 π/2 라디안이다. 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)는 Ix(f) = I1sin(ωt)으로 표현될 수 있으며, 한편 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)는 Iy(f) = I2cos(ωt)로 표현될 수 있다. 제1 구동 자기장 Hdrive(f)과 제2 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ) 및 외부 인가 자기장 Happlied(450)이 자유층 자화에 미치는 영향을 도 4 및 5를 참조하여 아래에서 설명한다. 외부 인가 자기장 Happlied(450)은 자기 센서(10)에 의해 측정되는 자기장이다. 용어 "인가 자기장(applied magnetic field)" 및 "측정되는 자기장(magnetic field to be measured)"은 본 명세서에서 호환적으로 사용된다. 외부 인가 자기장 Happlied(450)은 약한 DC 자기장이거나 구동 주파수 f 보다 훨씬 더 낮은 저주파에서 변동하는 약한 자기장이다.
AFM(20)은 전형적으로 NiMn, PtMn, IrMn 또는 FeMn과 같은 합금으로 이루어진다. 교환 바이어스(Exchange bias)는 대략 200 - 350℃ 범위의 온도에서 수시간 동안 대략 kOe의 자기장에서 SAF/AFM(11/20)을 어닐링함으로써 고정층(30)에 형성된다. 이는 AFM(20)과 고정층(30) 사이의 계면에서 AFM(20) 내의 비보상된 스핀(uncompensated spins)의 방향을 설정하여, 이에 따라 고정층(30)에 바이어스 자기장(bias field)을 제공한다. 고정층(30)과 기준층(50) 사이의 강한 반강자성 결합은 기준층 자화(400)의 방향을 고정층 자화(405)의 방향에 반대되도록 설정한다. SAF(11)의 순 자화는 거의 0으로 맞추어진다. 따라서, 고정층/기준층 쌍(30/50)의 자화를 변화시키는데 대략 수 kOe의 높은 인가 자기장이 요구된다.
자기저항 센서(10)의 저항(R)은 식 R(θ) = R0 + ΔR(1 - cosθ)/2(여기서, θ는 기준층 자화(400)과 자유층 자화 사이의 각도)에 따라 기준층 자화(400)와 자유층 자화 사이의 각도의 함수이다. R0는 두 층의 자화가 평행인 경우 자기저항 센서(10)의 저항이다. 따라서, 자유층을 포화시키기에 충분히 큰, 회전하는 구동 자기장 Hrotating(440)(구동 자기장 HD(440)라고도 칭함)이 센서(10)에 인가된 경우에만, 이러한 인가된 회전하는 구동 자기장 Hrotating(440)의 영향 하에서 자유층 자화의 회전은 주기적인 자기저항을 생성한다.
도 1b는 도 1a의 자기저항 센서(10)의 X-Y 평면 내에서 각주파수 ω로 주기적으로 회전하는 구동 자기장 HD(440)를 나타낸다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, "주기적인 회전형 구동 자기장(periodically rotating drive field)"은 Hrotating = HD = H0e i ωt와 같이 표시되는 각주파수 ω에서의 주기적으로 회전하는 구동 자기장이고, 여기에서, H0은 구동 자기장 HD(440)의 크기이다. 벡터 H0의 첨단(tip)은 각 회전에서 X-Y 평면 내에 원을 그린다. 모든 각도는 평면의 X-Y 좌표계의 X축에 대해 측정된다. 기준층 자화(400)는 X축에 대해 각도 φR로 존재한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 측정되는 외부 인가 자기장 Happlied는 X축에 대해 각도 φ에서 X-Y 평면 내에 존재한다.
도 2a는 본 발명에 따른 자기 터널 접합부(14), 전기 콘택(27, 28), 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)의 일 실시예의 블록도이다. 자기 터널 접합(MTJ)(14)은 도 1a에 나타낸 바와 같은 자기저항 센서(10)이다. 도 1a에 도시된 배리어층(55)은 자기 터널 접합부(14) 내의 산화 배리어층(56)이다. 비자기 캡층(61)은 자기 터널 접합(14)의 자유층(FL)(60)을 오버레잉한다. 전기 콘택(하부 리드)(27)은 실리콘(Si) 기판(25) 상의 절연체(26)를 오버레잉한다. 전기 콘택(27)을 오버레잉하는 비자기 시드층(seed layer)(22)은 AFM층(20)의 성장을 용이하게 하는데 사용된다. 전기 콘택(상부 리드)(28)은 캡층(61)을 오버레잉한다. 절연층(73)은 절연층(70)에 의해 커버되는 제1 구동 스트랩(71)으로부터 전기 콘택(28)을 분리한다. 제2 구동 스트랩(72)의 적어도 일부는 절연층(70) 및 제1 구동 스트랩(71)의 적어도 일부를 오버레잉한다. 전기 콘택(27, 28)은 자기 터널 접합부(14)의 자기저항 R(θ)을 측정하기 위하여 자기 터널 접합부(14)를 회로에 연결하도록 구성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 전류는 하부 리드(전기 콘택(27))로부터 상부 리드(전기 콘택(28))로 지향된다. 도 3a는 본 발명에 따른 도 2a의 자기 터널 접합부(14)의 출력 전압(Vout)을 측정하기 위한 회로(90)의 일 실시예의 블록도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 거대 자기저항기(13), 전기 콘택(128, 129), 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)의 일 실시예의 블록도이다. GMR(13)은 도 1a에 도시된 바와 같은 다층 자기저항 센서(10)이다. 도 1a에 도시된 배리어층(55)은 거대 자기저항기(13) 내의 (구리(Cu)층(57)과 같은) 비자기 전도층(57)이다. 거대 자기저항기(13)는 CIP(current in-plane) 모드에서 작동가능하다. 절연체(26)를 오버레잉하는 시드층(22)은 AFM층(20)의 성장을 용이하게 하는데 사용된다. 비자기 캡층(61)은 거대 자기저항기(13)의 자유층(60)을 오버레잉한다. 두 전기 콘택(리드(1, 2))(128, 129)은 캡층(60)의 대향하는 에지부를 오버레잉한다. 전기 콘택(128, 129)은 절연층(73)에 의해 서로 분리된다. 또한, 절연층(73)은 절연층(70)에 의해 커버되는 제1 구동 스트랩(71)으로부터 전기 콘택(128, 129)을 분리한다. 제2 구동 스트랩(72)은 절연층(70)을 오버레잉한다.
전기 콘택(128, 129)은 거대 자기저항기(13)의 자기저항을 측정하기 위하여 자기저항 센서(10)를 회로에 연결하도록 구성된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 전류는 리드(1)(전기 콘택(128))로부터 리드(2)(전기 콘택(129))로 지향된다. 도 3b는 본 발명에 따라 도 2b의 거대 자기저항기(13)의 출력 전압(Vout)을 측정하는 회로(91)의 일 실시예의 블록도이다. 본 실시예의 일 구현에서, 거대 자기저항기(13)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 바와 같은 CPP(current-perpendicular to plane) 모드로 수행되도록 구성된다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 도 1a의 자기저항 센서를 포함하는 자기저항 센서 시스템의 구현들의 블록도이다. 도 4a에 도시된 자기저항 센서 시스템(4)은 상호 π/2 라디안 위상이 어긋난 2 개의 정현파 구동 전류를 생성하기 위해 자기저항 센서(10), 증폭기(221), 제1 구동 스트랩(71), 제2 구동 스트랩(72), 검출 회로(150), 주파수 생성기(200), 주파수 분주기(210) 및 생성기(213)를 포함한다. 자기저항 센서(10)는 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)의 아래에 놓인 점선 박스로 나타내었다. 자기저항 센서(10)는 자기 터널 접합부 또는 거대 자기저항기이다.
검출 회로(150)는 밴드 패스 필터, 위상 감응 검출기(230), 제1 로우 패스 필터(LPF)(222) 및 제2 로우 패스 필터(LPF)(223)를 포함한다. 주기적인 출력 전압 Vout은 자기저항 센서(10)로부터 증폭기(221)를 통해 검출 회로(150)로 출력된다. 밴드 패스 필터(220)는 위상 감응 검출기(230)에 감지 전압을 출력한다. 위상 감응 검출기(230)는 2차 고조파 성분의 진폭 및 위상을 나타내거나, 또는 이와 동등한 2차 고조파 성분의 X 성분 및 Y 성분을 나타내는 정보를 출력한다. 따라서, 위상 감응 검출기(230)는 2개의 출력, 즉 2차 고조파의 X 성분에 비례하는 X 출력(Vx) 및 2차 고조파의 Y 성분에 비례하는 Y 출력(Vy)을 갖는다. X 출력은 로우 패스 필터(LPF)(222)를 통과하여 인가 자기장 Happlied의 X 성분에 비례하는 DC 신호를 생성한다. Y 출력은 로우 패스 필터(LPF)(223)를 통과하여 인가 자기장 Happlied의 Y 성분에 비례하는 DC 신호를 생성한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 자기저항 센서(10)는 회전가능한 자화 배향을 갖는 강자성 자유층(60), 고정된 자화 배향(기준층 자화(400))을 갖는 강자성 기준층(50) 및 이들 사이의 배리어층(55)을 포함한다. 자기저항 센서(10)를 오버레잉하는 제1 구동 스트랩(71)은 주파수 f로 교호하는 교류 구동 전류 idrive1(f)를 반송하도록 동작가능하게 구성된다. 자기저항 센서(10)를 오버레잉하고, 제1 구동 스트랩(71)을 직교하여 오버레잉하는 제2 구동 스트랩(72)은 주파수 f로 교호하는 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)를 반송하도록 동작가능하게 구성된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 주파수 생성기(200)는 주파수 2로 교호하는 기준 신호를 생성하고, 이 신호를 주파수 분주기(210)로 출력한다. 또한, 주파수 생성기(200)는 주파수 2f로 교호하는 신호를 위상 감응 검출기(230)로 출력한다. 주파수 분주기(210)는 주파수 2f로 교호하는 신호를 반으로 분주한다.
주파수 분주기(210)의 출력에서 생성기(213)는 서로에 대해 π/2 라디안으로 위상이 어긋난 해당하는 구동 스트랩(71, 72)에 2개의 구동 전류를 제공한다. 구체적으로, 생성기(213)는 주파수 f의 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)를 제1 구동 스트랩(71)으로 출력하고, idrive1(f)에 대해 π/2 라디안 위상이 어긋난 제2 교류 구동 전류 idrive2(f)를 제2 구동 스트랩(72)으로 출력한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 주파수 f에서 서로 직교하는 교류 구동 전류를 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)에 인가하는데 사용될 수 있는 다른 기술들이 있다. 본 실시예의 일 구현에서, 비직교 및 비평행의 제1 스트랩 및 제2 스트랩이 자기저항 센서를 오버레잉한다. 이 경우에, 제1 스트랩 및 제2 스트랩에 각각 인가된 제1 교류 구동 전류 및 제2 교류 구동 전류는, 본 명세서를 읽고 이해한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 적절히 위상 분리된 주기적인 구동 신호로 구동된다.
본 실시예의 일 구현에서, 생성기(213)는 제1 교류 구동 전류로서 신호 ix(f)(ix(f) = i1sin(ωt))를 제1 구동 스트랩(71)에, 제2 교류 구동 전류로서 신호 iy(f)(iy(f) = i2cos(ωt))를 제2 구동 스트랩(72)에 동시에 공급한다. 일부 실시예에서, i1=i2이다. 자기저항 센서(10)를 (도 3a 및 3b에 각각 도시된 회로(90 또는 91)과 같은) 회로에 연결하는 리드는 자기저항 센서(10)에서 자기장이 보이기 쉽도록 도 4a에서 도시되지 않았다.
도 1a에서 431로 표시되고, 제1 구동 스트랩(71) 내의 양방향 화살표로 나타낸 제1 구동 전류 idrive1(f)는, 도 1a에서 433으로 표지되고, 원형 양방향 화살표로 나타낸 제1 자기 구동 자기장 Hdrive1(f)를 생성한다. 도 1a에서 432로 표시되고 제2 구동 스트랩(72) 내의 양방향 화살표로 나타낸 제2 구동 전류 idrive2(f+Δφ)는 도 1a에서 434로 표시되고, 원형 양방향 화살표로 나타낸 제2 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)를 생성한다. 제1 구동 자기장 Hdrive1(f)(433) 및 제2 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)(434)는 모두 자유층(60)으로 연장되고, 서로 중첩되어 주기적인 회전형 구동 장 Hrotating을 형성하며, 이는 도 1a 및 4a에 원형 화살표(440)로 도시된 바와 같이, X-Y 평면 내에서 회전한다. "주기적인 회전형 구동 장(periodically rotating drive field)(440)"은 또한 본 명세서에서 "주기적인 회전형 구동 자기장(periodically rotating magnetic drive field)(440)"을 지칭한다.
도 1a, 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)은 -Z 방향에서 바라보았을 때 반시계 방향(CCW)으로 회전하며, 자유층 자화는 자유층(60)에서 회전 자기장에 평행하게 주기적으로 회전된다. 본 실시예의 일 구현에서, 위상 지연(phase delay)(Δφ)은 제2 구동 스트랩(72) 대신에 제1 구동 스트랩(71)에 인가된 전류에 더해진다. 이 경우에, 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)은 -Z 방향에서 바라보았을 때 시계 방향(CW)으로 회전한다.
주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)은 MTJ 또는 GMR의 높은 ΔR/R을 이용하도록 1/f 노이즈 전력 스펙트럼 밀도 곡선의 니부(knee)를 넘어 자기저항 센서(10)의 작동점을 이동시킨다. 따라서, 유익하게는, 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)은 자기저항 센서 시스템(4)이 높은 신호대 잡음비를 달성하는 것을 가능하게 하거나, 반대로 최소 검출가능한 자기장(mdf)을 더 낮추는 것을 가능하게 한다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 자기저항 센서의 작동점은 자기저항 센서(10)가 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)에 의해 작동되도록 구동되는 자기저항 센서(10)의 노이즈 대 주파수 함수 상의 지점이다.
자기저항 센서(10)(자기 터널 접합(14) 또는 거대 자기저항기(13))는 전압 측정이 검출 회로(150)에서 이루어질 수 있도록 자유층의 인덕턴스 및 저항 사이의 전달 함수를 제공한다.
구체적으로, (자유층(60)을 포화시키기에 충분히 높으나, 기준층(50)이 실질적으로 영향받지 않을 정도로 충분히 낮은 진폭을 갖는) 제1 구동 전류 idrive1(f)(431) 및 제2 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)의 범위 내에서, 자유층 자화(421)은 360도(2π 라디안)로 주기적으로 회전하여 자기저항 센서(10)에서 주기 저항 변화를 생성한다. 도 4a에서 자기저항 센서(10)의 평면도로 도시된 바와 같이, 제1 시점(t1)에서 자유층 자화(421')는 기준층 자화(400)로부터의 각 θ1에 존재하며, 제2 시점(t2)에서 자유층 자화(421'')는 기준층 자화(400)로부터의 각 θ2에 존재한다. 주기적인 구동 전류만 자기저항 센서(10)에 인가되고, DC(또는 저주파) 자기장 Happlied(450)이 존재하지 않을 경우, 자기저항 센서(10)의 이상적인 출력은 주파수(f)의 다수의 홀수차 고조파(odd harmonic)만을 포함한다.
일반적으로, 자유층(60)의 자화(자유층 자화(421))의 동역학은 자유층(60) 및 자기저항 센서(10)의 크기, 종횡비 및 다른 물질 특성들(입자 크기, 결함 밀도(defect density), 4πMs)에 따라 달라진다. 보다 큰 자기저항 센서(10)(치수>~1㎛)에 대해, 한 포화상태에서 반대의 포화상태로 전환하는 동안 자화의 동역학은 도메인 벽(domain wall) 동역학을 포함한다. 도메인 벽 매개 전환(domain wall mediated switching)은 일반적으로 바르크하우젠 노이즈의 공급원인 바르크하우젠 점프를 포함한다. 1㎛ 보다 작은 치수를 갖는 자기저항 센서(10)에 대해, 자유층(60)은 일반적으로 핵형성 및 자기 소용돌이(magnetic vortices)의 전파에 의해 한 포화상태에서 반대의 포화상태로 전환한다. 상술한 크기 의존성은 정확하지 않으며, 도메인 벽 매개 전환 동력학으로부터 소용돌이 매개 동역학으로의 전이 또한 센서를 포함하는 강자성 물질의 다른 물질 파라미터의 함수이다. 또한, 이러한 동역학은 자화 상태의 임의의 큰 변화에 적용되며, 한 포화상태에서 다른 포화상태로의 전환으로 제한되지 않는다.
자유층(60)의 자화가 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)에 의해 코히런트하게(coherently) 회전할 경우, 바르크하우젠 노이즈는 감소한다. 따라서, 자유층 자화(421)의 코히런트 회전은 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)을 유지함으로써 보장된다. 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)의 크기는 자기저항 센서(10)의 출력 파형의 품질을 조사하여 경험적으로 검출된다. 자기저항 센서(10)가 작은 치수를 갖기 때문에, 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)은 보통의 전류 및 전력값에서 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)을 생성하도록 작동가능하다.
측정되는 외부 자기장 Happlied(450)이 자기저항 센서(10)에 인가될 경우, 측정되는 자기장 Happlied(450)은 자기저항 센서(10)의 X-Y 평면 내에서 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440) 상에 중첩된다. 이 경우에, 자유층(60) 내의 자기장은 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)과 외부 인가 자기장(450)의 중첩과 동일하다. 이러한 중첩으로부터 형성된 자기저항 센서(10)의 출력은 짝수차 고조파 성분을 포함한다. 가장 낮은 차수의 짝수 고조파 성분은 주파수 2f에서 2차 고조파 성분이다.
검출 회로(150)는 자기저항 센서(10)의 출력 전압 Vout의 2차 고조파 성분을 추출한다. X-Y 평면 내에서 측정되는 자기장 Happlied(450)의 크기(도 1b에 나타낸 예시적인 경우에서 |Happlied|)는 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭에 비례한다. X-Y 평면 내에서 측정되는 자기장 Happlied(450)의 배향(도 1b에 나타낸 예시적인 경우에서 각도 φ)는 단순히 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 위상각과 관련된다.
인가 자기장 Happlied(450)과 2차 고조파 성분의 진폭 및 위상각 사이의 수학적 관계가 이제 도출된다. 초기에 외부 자기장 h가 0인 것으로 가정한다(예를 들어, h = Happlied = 0). 회전하는 구동 자기장 HD(예를 들어, HD = Hrotating)은 상기 센서의 평면 내에서 주파수 f로 인가된다. 구동 자기장의 진폭은 기준층에 영향을 주지 않을 정도이다. 또한, 구동 자기장 HD가 (도 4a 및 4b에서 421' 및 421''로 도시된 바와 같이) 자유층 자화를 포화시킬 정도로, 즉, 자유층 자화가 항상 회전하는 구동 자기장 HD의 순시 방향으로 향하는 정도로, 자유층(60)의 이방성은 충분히 작고, 구동 자기장 HD은 충분히 큰 것으로 가정한다.
구동 자기장은 HD = H0exp(iωt)로 주어지고, 여기서, ω = 2πf이다. 상술한 포화의 가정하에서, 또한 자기저항(MR)은 주파수 f의 정현파이다. 그 다음, 정현파 구동 자기장 및 외부 자기장 h의 존재하에서, 자유층 자화는 이제 총 자기장 벡터 HD(ω)+h의 방향으로 향한다. 자유층 자화의 방향에서 단위 벡터는 복소수 표기법을 이용하여 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00001

기준층 자화에 평행한 단위 벡터 kR은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00002

자유층 자화에 평행한 단위 벡터는 kM이다. 자유층 자화(즉, 순시 자유층 자화(421' 또는 42'')와 기준층 자화(즉, 기준층 자화(400)) 사이의 각도는,
Figure pat00003

로 주어지며, 여기에서, kR *은 kR의 켤레 복소수이다. 자기저항의 시간 의존성은 cosθ의 시간 의존성으로 주어진다.
Figure pat00004

여기서, u = h/H0이다. 상기 표현을 u의 선형 멱으로 확장하면, 다음을 얻는다.
Figure pat00005

(h/H0)의 멱으로의 선형 근사 내에서, 2차 고조파의 진폭은 인가 자기장 h에 비례하며, 2차 고조파의 위상은 (φ+φR)이다. 기준층 위상각 φR이 알려져 있기 때문에, 인가 자기장의 위상각을 도출할 수 있다. 따라서, 제시된 작동 모드에서, 2차 고조파 성분은 인가된 자기장의 진폭 및 방향 모두를 제공한다.
이러한 분석은 자유층 이방성 Hk의 효과를 무시하였다. 자유층의 이방성이 0이 아닌 경우에, 자화 방향은 자기장의 순간 방향에 평행하게 향하지 않을 것이다. 그러나, 충분히 큰 진폭의 구동 자기장(H0>>Hk)에 대해, 이방성은 상기 유도된 화학식에 대해 보정항(correction term)을 더하는 것으로 예측된다. 본 명세서에 기재된 전체적인 스킴은 여전히 작동된다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 알려진 바와 같이, 이러한 진폭 및 위상은 직교 성분(예를 들어, X 성분 및 Y 성분)으로 변환될 수 있다. Happlied의 값 범위에 대해, Happlied < H0이며, 여기서 H0는 주기적인 구동 자기장의 진폭이며, 출력 전압 Vout의 진폭은 Happlied에 비례한다.
각 주파수 ω로 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)이 센서의 평면(예, X-Y 평면) 내에 인가되는 경우, 자유층 자화는 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)의 순시 방향으로 향한다. 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)의 순시 방향은 기준층(50)에 영향을 주지 않는다. 자유층(60)의 이방성은 충분히 작고, 구동 자기장은 충분히 크기 때문에(즉, H0>>Hk), 구동 자기장은 자유층 자화를 포화시킨다.
1/f 노이즈 곡선의 니부를 지나는 주파수 f로 자기저항 센서(10)를 구동시킴으로써, 자기저항 센서(10)의 신호대 잡음비는 0에 가까운 주파수에서 작동할 경우의 자기저항 센서의 신호대 잡음비보다 더 높다. 각 주파수 ω(ω=2πf)로의 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)은 f(f=ω/2π)가 1/f 노이즈 곡선의 니부보다 크도록 설정된다.
주파수 생성기(200)는 어떠한 2차 고조파 성분 없이 스펙트럼으로 순수한 구동 파형을 출력한다. 만일, 제1 구동 전류 idrive1(f)(431) 및/또는 제2 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)에서 짝수차 고조파 성분이 존재할 경우에, 출력 Vout은 인가 자기장의 부재하에서도(즉, 널 오프셋(null offset)) 짝수차 고조파 성분을 가질 것이다. 만일, 스펙트럼으로 순수한 구동 파형이 주파수 생성기(200)에 의해 생성되지 않을 경우에, 검출 회로의 출력에서의 널 오프셋은 사용자에 의해 보정될 수 있다.
도 4b에 나타낸 자기저항 센서 시스템(5)은 도 4a의 자기저항 센서 시스템(4)의 성분뿐만 아니라, 피드백 회로(160)를 포함한다. 이러한 자기저항 센서 시스템(5)에서, 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(721)은 폐쇄 루프 모드로 자기저항 센서(10)를 작동시키는데 사용된다.
피드백 회로(160)는 X 성분 증폭기(233), X 성분 적분기(237), Y 성분 증폭기(234) 및 Y 성분 적분기(238)를 포함한다. 2차 고조파의 진폭의 X-성분에 비례하는 X 출력(Vx)은 로우 패스 필터(222)로부터 신호(330)로서 출력된다. 신호(330)는 X 성분 증폭기(233)에 입력된다. X 성분 증폭기(233)로부터의 출력은 적분기(237)로 입력된다. 동시에, 2차 고조파의 Y 성분에 비례하는 Y 출력(Vy)은 로우 패스 필터(223)로부터 신호(331)로서 출력된다. 신호(331)는 Y 성분 증폭기(234)로 입력된다. Y 성분 증폭기(234)로부터의 출력은 적분기(238)로 입력된다. 신호(330)는 Happlied(450)의 X 성분에 비례하며, 신호(331)는 Happlied(450)의 Y 성분에 비례한다.
피드백 회로(160)는 검출 회로(150)로부터 입력 신호(330, 331)를 취하고, 제1 널링 전류 Inulling1(415)을 제1 구동 스트랩(71)으로 출력하고, 제2 널링 전류 Inulling2(416)를 제2 구동 스트랩(72)으로 출력한다. 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)은 검출되는 자기장(Happlied)(450)의 Y 및 X 성분에 각각 반대되는 제1 널링 자기장 Hnull1(425) 및 제2 널링 자기장 Hnull2(426)을 생성하기 위해 모두 자기저항 센서(10)를 오버레잉한다.
제1 널링 전류 Inulling1(415)는 제1 안정 직렬 저항기(R1)에 걸친 전압 강하 V1을 측정함으로써 측정될 수 있다. 제1 널링 전류(415) 또는 대응하는 직렬 저항기(R1)에 걸친 전압 강하 V1은 인가 자기장 Happlied(450)의 Y 성분에 비례한다. 저항기(R1)는 고정된 온도 안정형 저항기이다.
제2 널링 전류 Inulling2(416)는 제2 안정 직렬 저항기(R2)에 걸친 전압 강하 V2를 측정함으로써 측정될 수 있다. 제2 널링 전류 Inulling2(416) 또는 대응하는 직렬 저항기(R2)에 걸친 전압 강하 V2은 인가 자기장 Happlied(450)의 X 성분에 비례한다. 저항기(R2)는 고정된 온도 안정형 저항기이다.
따라서, 2차 고조파 신호(330 및 331)들의 X 및 Y 성분은 각각, 증폭되고, 적분되어, 피드백 전류(즉, 제2 널링 전류 Inulling2(416) 및 제1 널링 전류 Inulling1(415))로서 사용되어, 외부 인가 자기장 Happlied(450)의 X 및 Y 성분을 버킹(buck)한다. 인가 자기장 Happlied(450)의 시간 스케일 및 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)의 시간 스케일은 잘 분리된다고, 즉, 인가 자기장 Happlied(450)는 저주파 또는 거의 DC인 것으로 가정된다.
이러한 방식으로, 자유층(60)의 자화의 익스커젼(excursion)만이 주기적인 회전형 구동 자기장 Hdrive(f)(440)에 의해 발생된 것이다. X-Y 평면 내에서의 임의의 인가 자기장 Happlied(450)이 제1 널링 자기장 Hnull1(425) 및 제2 널링 자기장 Hnull2(426)의 중첩에 의해 널링(nulling)되기 때문에, 자기저항 센서(10)가 인가 자기장의 범위를 감지함에 따라 자유층(60)의 자화 상태의 DC 이동은 없다. 이러한 피드백은 자기저항 센서(10)의 신호대 잡음비가 더욱 개선되도록 바르크하우젠 노이즈를 감소시키고, 또한 자기저항 센서(10)의 자기장 동적 범위를 증가시킨다.
도 4a 및 4b에 나타낸 바와 같이, 자기저항 센서(10)는 X-Y 평면 내에서 직사각형 프로파일을 갖는다. 본 실시예의 다른 구현에서, 자기저항 센서는 X-Y 평면 내에서 원형 프로파일을 갖는다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 예시적인 자기저항 센서에 인가된 다양한 인가 자기장에 대해 시뮬레이션된 출력을 도시한다. 도 5a 및 5b의 도면에서 32 시간 단위의 기간에서 회전 구동 자기장 H0(H0 = 10 Oe)은 내포되어 있으며, 도시하지 않았다.
도 5a는 Happlied에 대해 시뮬레이션된 출력이 2 Oe임을 보여준다. 파형(495)은 Happlied = 0 Oe일때의 Vout의 그래프이다. 파형(494)은 Happlied = 2 Oe이고, 위상각 φ = 45도일 때의 Vout의 그래프이다(도 1b). 파형(493)은 Happlied = 2 Oe이고, 위상각 φ = 120도일 때의 Vout의 그래프이다(도 1b). 차이 파형(difference waveform)(490)은 파형(494)과 파형(495) 사이의 차이를 도시한 것이다. 차이 파이(491)는 파형(493)과 파형(495) 사이의 차이를 도시한 것이다. 차이 파형(490, 491)은 짝수차 고조파만을 포함하며, 주요 푸리에 성분은 2차 고조파이다.
도 5b는 Happlied에 대해 시뮬레이션된 출력이 4 Oe임을 보여준다. 파형(465)은 Happlied = 0 Oe일때의 Vout의 그래프이다. 파형(464)은 Happlied = 4 Oe이고, 위상각 φ = 45도일 때의 Vout의 그래프이다(도 1b). 파형(463)은 Happlied = 4 Oe이고, 위상각 φ = 120도일 때의 Vout의 그래프이다(도 1b). 차이 파형(difference waveform)(460)은 파형(464)과 파형(465) 사이의 차이를 도시한 것이다. 차이 파형(461)은 파형(463)과 파형(465) 사이의 차이를 도시한 것이다. 차이 파형(460 및 461)들은 짝수차 고조파만을 함유하며, 주요 푸리에 성분은 2차 고조파이다. 따라서, 도 5a 및 5b는 출력 차이 파형이 Happlied의 진폭 및 위상각에 기초하여 어떻게 변하는지 분명히 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 자기저항 센서(11)를 포함하는 자기저항 센서(6)의 실시예의 블록도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 자기저항 센서(11)는 X-Y 평면 내에서 원형 프로파일을 갖는다. 본 실시예의 다른 구현에서, 자기저항 센서는 형상이 직사각형이다. 자기저항 센서(6)의 기능은 도 4a 및 4b를 참조로 전술한 자기저항 센서 시스템(4, 5)의 기능과 동일하다. 자기저항 센서 시스템(6)은 자기저항 센서(11), 제1 구동 스트랩(71), 제1 구동 스트랩(71) 및 자기저항 센서(11)을 오버레잉하는 제2 구동 스트랩(72)을 포함한다. 또한, 자기저항 센서 시스템(6)은 주파수 생성기(200) 및 검출 회로(151)를 포함한다. 자기저항 센서 시스템(6)의 구조는 검출 회로(151)가 검출 회로(150)의 밴드 패스 필터(220), 위상 감응 검출기(230) 및 로우 패스 필터(222)가 아닌 디지털 프로세서(250)를 포함하는 점에서 도 4a 및 4b의 자기저항 센서 시스템(4, 5)과 상이하다.
디지털 프로세서(250)는 자기저항 센서(11)로부터 출력 전압(Vout)을 수신하고, 출력 전압(Vout)의 2차 고조파 성분을 추출하고, 2개의 신호, 즉, 2차 고조파의 진폭의 X 성분에 비례하는 X 출력(Vx) 및 2차 고조파의 Y 성분에 비례하는 Y 출력(Vy)을 출력한다. 따라서, 디지털 프로세서(250)의 기능은 검출 회로(150)의 기능과 동일하다(도 4a 및 4b).
도 7은 맞춤 형상의 구동 전류의 실시예들을 나타낸다. 각각, 제1 구동 스트랩(71) 및 제2 구동 스트랩(72)에 인가된 제1 교류 구동 전류 및 제2 교류 구동 전류의 형상을 맞춤으로써, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 바와 같이, 추출된 2차 고조파 성분의 진폭이 증가된다.
제1 교류 구동 전류 및 제2 교류 구동 전류에 대한 예시적인 세트(651, 652)가 도 7에 도시된다. 용이하게 나타내기 위해, 교류 구동 전류(701, 702)의 제1 세트(651)는 교류 구동 전류(751 및 702)의 제2 세트(652)로부터 오프셋 된다.
제1 교류 구동 전류 및 제2 교류 구동 전류의 제1 세트(651)는 시간 경과에 따른 제1 톱니 형상을 갖는 제1 교류 구동 전류(701) 및 시간 경과에 따른 제2 톱니 형상을 갖는 제2 교류 구동 전류(702)를 포함한다. 제1 교류 구동 전류(701)는 제2 교류 구동 전류(702)에 중첩된다. π/2(90도) 위상 이동은 제1 교류 구동 전류(701)의 피크와 제2 교류 구동 전류(702)의 피크 사이에 나타난다. 예시적인 제1 교류 구동 전류(701)는 제1 스트랩(71)에 인가된다. 예시적인 제2 교류 구동 전류(702)는 제2 스트랩(71)에 인가된다.
제1 교류 구동 전류 및 제2 교류 구동 전류의 제2 세트(652)는 시간 경과에 따른 제1 톱니 형상을 갖는 제1 교류 구동 전류(751) 및 시간 경과에 따른 정현 형상을 갖는 제2 교류 구동 전류(752)를 포함한다. 제1 교류 구동 전류(751)는 제2 교류 구동 전류(752) 상에 중첩된다. π/2(90도) 위상 이동은 제1 교류 구동 전류(751)의 피크와 제2 교류 구동 전류(752)의 피크 사이에 나타난다. 예시적인 제1 교류 구동 전류(751)는 제1 스트랩(71)에 인가된다. 예시적인 제2 교류 구동 전류(752)는 제2 스트랩(71)에 인가된다. 이해되는 바와 같이, 이는 시간에 대한 전류의 예시적인 형상이고 시간에 대한 전류의 다른 형상이 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라 평면 내에서 인가 자기장 Happlied를 측정하는 방법(800)의 일 실시예에 대한 플로우 차트이다. 본 방법(800)은 각각, 도 4a, 4b 및 6을 참조하여 상술된 자기저항 센서 시스템(4, 5, 6)들의 실시예에 적용가능하다.
블록(802)에서, 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 자기저항 센서(MS)(10)를 오버레잉하는 제1 스트랩(71)에 인가된다. 제1 교류 구동 자기장 Hdrive1(f)(433)은 교류 구동 전류 idrive1(f)에 의해 자기저항 센서(10)에서 생성된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 교류 구동 자기장 Hdrive1(f)(433)은 자기저항 센서(MS)의 X-Y 평면 내에 놓인 Y축에 평행하게 진동한다.
제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 자기저항 센서(10)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다. 저잡음 영역은 1/f 노이즈 스펙트럼 내의 니부 위이다. 본 실시예의 일 구현에서, 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 자기 터널 접합부(14)(도 2a)를 오버레잉하는 제1 구동 스트랩(71)에 인가되어 자기 터널 접합부(14)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다. 본 실시예의 다른 구현에서, 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 거대 자기저항기(13)(도 2b)를 오버레잉하는 제1 구동 스트랩(71)에 인가되어 거대 자기저항기(13)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다.
본 실시예의 일 구현에서, 상기 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 다음과 같이 제1 구동 스트랩(71)에 인가된다: 초기 주파수 2f에서의 신호가 주파수 생성기(200)로부터 주파수 분주기(210)로 출력된다; 초기 주파수 2f에서의 신호는 반으로 주파수 분주되어 구동 주파수 f에서의 신호를 생성한다; 그리고 구동 주파수 f에서의 신호는 생성기(213)에서 제1 구동 스트랩(71)에 대한 입력을 생성하는데 사용된다. 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 구동 주파수 f로 교호한다. 구동 주파수 f는 초기 주파수 2f의 반이다.
블록(804)에서, 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 제1 구동 스트랩(71)에 인가되는 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)와 동시에 자기저항 센서(MS)(10)를 오버레잉하는 제2 구동 스트랩(72)에 인가된다. 제2 구동 스트랩(72)은 제1 구동 스트랩(71)과 소정을 각도를 가지면서(즉, 평행이 아님) 배향된다. 본 실시예의 일 구현에서, 제2 구동 스트랩(72)은 제1 구동 스트랩과 수직으로 배향된다. 구체적으로, 제1 구동 스트랩(71)은 제1 방향으로 연장되는 치수를 가지고, 제2 구동 스트랩(72)은 제2 방향으로 연장되는 치수를 가지며, 제2 방향은 제1 방향에 수직이다. 제1 교류 구동 전류 idrive1(f)(431)는 제1 방향으로 흐르도록 인가되고, 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 제2 방향으로 흐르도록 인가된다.
제2 교류 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)은 교류 구동 전류 idriver2(f+Δφ)(432)에 의해 자기저항 센서(10)에서 생성된다.
제2 구동 스트랩(72)이 제1 구동 스트랩(71)에 대하여 0도 및 90도가 아닌 소정의 각도로 배향되면, Δφ는 자기저항 센서(10 또는 11) 내의 평면에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 생성하도록 적절하게 설정된다. 제2 구동 스트랩(72)이 제1 구동 스트랩(71)에 수직으로 배향되면, Δφ는 π/2 라디안과 동일하게 설정된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 교류 구동 자기장 Hdrive2(f)은 X축에 평행하게 진동하고, 이는 자기저항 센서(MS)의 X-Y 평면에 놓인다.
제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 자기저항 센서(10)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다. 본 실시예의 일 구현에서, 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 자기 터널 접합부(14)(도 2a)를 오버레잉하는 제2 구동 스트랩(72)에 인가되어, 자기 터널 접합부(14)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다. 본 실시예의 다른 구현에서, 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 거대 자기저항(13)(도 2a)을 오버레잉하는 제2 구동 스트랩(72)에 인가되어, 거대 자기저항(13)의 작동점을 저잡음 영역으로 이동시킨다.
제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 다음과 같이 제2 구동 스트랩(72)에 인가된다: 초기 주파수 2f에서의 신호는 주파수 생성기(200)로부터 주파수 분주기(210)로 출력된다; 초기 주파수 2f에서의 신호는 절반으로 주파수 분주되어 구동 주파수 f에서의 신호를 생성한다; 그리고, 구동 주파수 f에서의 신호는 생성기(213)에서 제1 구동 스트랩(71)로의 입력을 생성하는데 사용된다. 구체적으로는, 구동 주파수 f에서 제2 구동 스트랩(72)에 인가된 제2 신호는 생성기(213)에서 제1 구동 스트랩(71)에 인가된 전류로부터 Δφ만큼 위상이 지연된다(또는 앞선다). 제2 교류 구동 전류 idrive2(f+Δφ)(432)는 구동 주파수 f로 교호한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 자기저항 센서(10)의 X-Y 평면에서 회전하는 440으로 도면 부호가 부여된 주기적으로 회전하는 구동 자기장 HD = H0eiwt는 제1 교류 구동 자기장 Hdrive1(f)(433)(도 1a 및 4a)의 제2 교류 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)(434)(도 1a 및 4a)와의 중첩에 의해 생성된다. 구체적으로는, Y축을 따라 진동하는 제1 교류 구동 자기장 Hdrive1(f)(433)와, X축을 따라 동시에 진동하는 제2 교류 구동 자기장 Hdrive2(f+Δφ)(434)는 주기적으로 회전하는 구동 자기장 Hrotating(440)을 생성하고, 이는 Z축 주위에서 반시계 방향으로 회전하는 것으로 도시된다.
블록(806)에서, 자기저항 센서(10)의 출력의 2차 고조파 성분이 자기저항(MR) 센서(10)로부터 추출된다. 2차 고조파 성분은 측정되는 자기장 Happlied(450)이 자기저항 센서(10)의 자유층(60)의 X-Y 평면에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장 Hrotating(440)에 중첩될 때에만 생성된다.
본 실시예의 일 구현에서, 자기저항 센서(11)(도 6)의 출력의 2차 고조파 성분은 다음과 같이 추출된다. 전압 출력 Vout이 자기저항 센서(11)로부터 디지털 프로세서(250)로 출력된다; 출력 전압이 디지털 프로세서(250)에서 푸리에 분해된다; 초기 주파수에서의 기준 신호(460)가 주파수 생성기(200)로부터 디지털 프로세서(250)로 입력된다; 그리고, 초기 주파수(2f)에서 푸리에 분해된 출력 전압의 2차 고조파 성분이 추출된다. 도 6에 도시된 자기저항 센서 시스템(6)은 이러한 방식으로 자기저항 센서(11)의 출력의 2차 고조파 성분을 추출하도록 구성된다.
본 실시예의 다른 구현에서, 자기저항 센서(10)의 출력의 2차 고조파 성분은 다음과 같이 추출된다: 자기저항 센서로부터의 출력 전압이 밴드 패스 필터(220)에서 필터링된다; 밴드 패스 필터(220)의 출력(감지 전압)이 위상 감응 검출기(230)로 입력된다; 초기 주파수 2f에서의 기준 신호가 주파수 생성기(200)로부터 위상 감응 검출기(230)로 입력된다; 그리고, 필터링된 출력 전압의 2차 고조파 성분이 위상 감응 검출기(230)에서 추출된다. 도 4a 및 4b에 도시된 자기저항 센서 시스템(4, 5)은 이러한 방식으로 자기저항 센서(11)의 출력의 2차 고조파 성분을 추출하도록 구성된다.
블록(808)에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호가 검출 회로로부터 추출된다. 자유층(60)의 X-Y 평면에서 측정되는 자기장 Happlied(450)의 X 성분은 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영에 비례한다.
본 실시예의 일 구현에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같은 위상 감응 검출기(230)로부터 출력된다. 본 실시예의 다른 구현에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영은 도 6에 도시된 바와 같은 디지털 프로세서(250)로부터 출력된다.
블록(810)에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호가 검출 회로로부터 추출된다. 자유층(60)의 X-Y 평면에서 측정되는 자기장 Happlied(450)의 Y 성분은 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영에 비례한다.
본 실시예의 일 구현에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같은 위상 감응 검출기(230)로부터 출력된다. 본 실시예의 다른 구현에서, 출력 전압 Vout의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호는 도 6에 도시된 바와 같은 디지털 프로세서(250)로부터 출력된다.
블록(808, 810) 동안 검출 회로(150)로부터 출력된 신호는, 평면의 제1 방향에 대하여 추출된 2차 고조파 성분의 투영을 나타내는 정보를 포함하는 제1 신호 및 평면의 제2 방향에 대하여 추출된 2차 고조파 성분의 투영을 나타내는 정보를 포함하는 제2 신호일 수 있고, 제1 방향은 제2 방향에 직교하며, 위상각 정보가 각 방향으로의 정확한 투영을 제공하기 위하여 사용되었다는 것이 이해되어야 한다.
블록(812)은 선택적이다. 블록(812)에서, 제1 널링 전류 Inulling1(415)이 제1 구동 스트랩(71)에 인가되어, 자기저항 센서(10)에서 제1 널링 자기장 Hnull1(425)을 생성하고, 제2 널링 전류 Inulling2(416)가 제2 구동 스트랩(72)에 인가되어, 자기저항 센서(10)에서 제1 널링 자기장 Hnull2(426)를 생성한다(도 4b 참조). 제1 널링 자기장 Hnull1(425)은 측정되는 자기장 Happlied(450)의 제1 성분(예를 들어, Y 성분)과 평행하게 대향한다. 제2 널링 자기장 Hnull2(426)은 측정되는 자기장 Happlied(450)의 제2 성분(예를 들어, X 성분)과 평행하게 대향한다. 제1 및 제2 널링 자기장 Hnull(1-2)(425, 426)는 함께 바르크하우젠 노이즈를 감소시키고 센서의 동적 범위를 증가시킨다.
본 실시예의 일 구현에서, 제1 및 제2 널링 전류(415, 416)는 각각 제1 및 제2 구동 스트랩(71, 72)에 인가되어, 자기저항 센서(10)에서 제1 및 제2 널링 자기장(425, 426)을 다음과 같이 생성한다: 초기 주파수에서의 2차 고조파 신호가 증폭기(233, 234)에 의해 각각 X 및 Y 성분으로 투영된다; 증폭된 2차 고조파 신호(330, 331)가 적분되어 추출된 2차 고조파 성분의 성분(예를 들어, X 및 Y 성분)에 각각 비례하는 제2 널링 전류 Inulling2(416) 및 제1 널링 전류 Inulling1(415)를 생성한다. 구체적으로는, 제1 널링 전류 Inulling1(415)이 적분기(238)로부터 제1 구동 스트랩(71)으로 입력되고; 제2 널링 전류 Inulling2(416)가 적분기(237)로부터 제2 구동 스트랩(72)으로 입력된다. 이러한 방식으로, 측정되는 자기장 Happlied(450)에 대향하는 제1 및 제2 널링 자기장(425, 426)이 자기저항 센서(10)에서 생성된다. 블록(814)은 선택적이며, 블록(812)이 구현되는 경우에만 발생한다. 블록(814)에서, 전압 V2 및 V1은 고정된 온도 안정형 저항기 R2 및 R1에 걸쳐 측정되고, 이를 통해 해당하는 제2 및 제1 널링 전류가 통과하여 인가된 자기장의 X 및 Y 성분을 각각 결정한다.
[ 실시예 ]
예 1은, 평면 내에 인가된 자기장을 측정하는 방법으로서, 제1 스트랩에 제1 교류 구동 전류를 인가하는 단계로서, 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분은 자기저항 센서를 오버레잉하고, 상기 제1 스트랩은 제1 방향으로 연장되는 치수를 갖는, 상기 제1 교류 구동 전류 인가 단계; 제1 스트랩에 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하는 단계로서, 상기 제2 스트랩의 적어도 일부분은 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분을 오버레잉하고, 상기 제2 스트랩은 제2 방향으로 연장되는 치수를 갖고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 평행하지 않고, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 어긋나고, 상기 자기저항 센서는 상기 자기저항 센서의 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 받는, 상기 제2 교류 구동 전류 인가 단계; 및 측정되는 상기 인가 자기장이 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장에 중첩되면, 상기 자기저항 센서로부터의 출력된 출력 전압의 2차 고조파를 추출하는 단계를 포함하며, 상기 평면에서 측정되는 상기 인가 자기장의 크기가 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파의 진폭에 비례하고, 상기 평면에서 측정되는 상기 인가 자기장의 배향(φ)은 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파의 위상각과 관련되는 평면 내 인가 자기장 측정 방법을 구비한다.
예 2는, 예 1의 방법을 구비하며, 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호를 출력하는 단계; 및 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 Y-투영을 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함한다.
예 3은, 예 1 또는 2의 방법을 구비하며, 상기 자기저항 센서로부터의 출력된 출력 전압의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계는, 자기저항 센서로부터 디지털 프로세서로 상기 출력 전압을 출력하는 단계; 상기 디지털 프로세서에서 상기 출력 전압을 푸리에 분해하는 단계; 주파수 생성기로부터 상기 디지털 프로세서로 초기 주파수에서의 기준 신호를 입력하는 단계; 및 상기 초기 주파수에서 푸리에 분해된 출력 전압의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
예 4는, 예 1 내지 3 중 어느 한 방법을 구비하며, 상기 자기저항 센서로부터의 출력된 출력 전압의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계는, 밴드 패스 필터에서 상기 자기저항 센서로부터의 출력 전압을 필터링하는 단계; 상기 밴드 패스 필터의 출력을 위상 감응 검출기에 입력하는 단계; 주파수 생성기로부터 위상 감응 검출기로 상기 초기 주파수에서의 기준 신호를 입력하는 단계; 및 상기 위상 감응 검출기에서 필터링된 출력 전압의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
예 5는, 예 1 내지 4 중 어느 한 방법을 구비하며, 상기 자기저항 센서 내에 제1 널링 자기장을 발생시키도록 상기 제1 스트랩에 제1 널링 전류를 인가하는 단계로서, 상기 제1 널링 자기장은 측정되는 상기 인가 자기장의 제1 성분에 평행하게 대항하는, 상기 제1 널링 전류를 인가하는 단계; 및 상기 자기저항 센서 내에 제2 널링 자기장을 발생시키도록 상기 제2 스트랩에 제2 널링 전류를 인가하는 단계로서, 상기 제2 널링 자기장은 측정되는 상기 인가 자기장의 제2 성분에 평행하게 대항하는, 상기 제2 널링 전류를 인가하는 단계를 더 포함한다.
예 6은, 예 1 내지 5 중 어느 한 방법을 구비하며, 주파수 생성기로부터 주파수 분주기로 초기 주파수에서의 신호를 출력하는 단계; 구동 주파수에서 신호를 발생시키도록 상기 초기 주파수에서의 신호를 주파수 분주하는 단계로서, 상기 구동 주파수는 상기 초기 주파수의 절반인, 상기 주파수 분주 단계를 더 포함하며, 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 전류를 인가하는 단계는 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 구동 주파수에서의 신호를 입력하는 단계를 포함하고, 상기 제1 교류 구동 전류는 상기 구동 주파수에서 교호하고, 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류를 인가하는 단계는 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류 구동 주파수에서의 신호를 입력하는 단계로서, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 구동 주파수에서 교호한다.
예 7은, 예 1 내지 6 중 어느 한 방법을 구비하며, 상기 제1 스트랩에 인가된 상기 제1 교류 구동 전류의 형상을 맞추는 단계; 및 상기 제2 스트랩에 인가된 상기 제2 교류 구동 전류의 형상을 맞추는 단계를 더 포함한다.
예 8은, 예 1 내지 7 중 어느 한 방법을 구비하며, 상기 자기저항 센서를 오버레잉하는 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 구동 전류를 인가하는 단계 및 상기 제1 스트랩을 오버레잉하는 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하는 단계는, 자기 터널 접합부를 오버레잉하는 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 구동 전류를 인가하는 단계와 상기 제1 스트랩을 오버레잉하는 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하는 단계, 또는 자이언트 자기저항 센서를 오버레잉하는 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 구동 전류를 인가하는 단계와 상기 제1 스트랩을 오버레잉하는 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류 구동 전류를 동시에 인가하는 단계 중 하나를 포함한다.
예 9는, 평면 내에 자기장의 배향 및 크기를 측정하는 자기저항 센서 시스템으로서, 회전가능한 자화 배향을 갖는 강자성 자유층, 고정 자화 배향을 갖는 강자성 기준층, 및 상기 강자성 자유층과 상기 강자성 기준층 사이의 배리어층을 포함하는 자기저항 센서; 제1 교류 구동 전류를 반송하도록 상기 자기저항 센서를 오버레잉하는 제1 스트랩; 제2 교류 구동 전류를 반송하도록 상기 자기저항 센서를 오버레잉하는 제2 스트랩으로서, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 어긋나고, 상기 제2 스트랩은 상기 제1 스트랩의 일부를 오버레잉하며, 상기 자기저항 센서는 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장을 받는, 상기 제2 스트랩을 포함하는 자기저항 센서 시스템을 구비한다.
예 10은, 예 9의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 자기저항 센서로부터 출력된 출력 전압을 수신하고 상기 출력 전압의 2차 고조파를 추출하는 검출 회로를 더 포함하며, 측정되는 상기 자기장의 크기는 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭에 비례하고, 측정되는 상기 자기장의 배향은 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 위상각에 단순 관련된다.
예 11은, 예 10의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 검출 회로는 상기 자기저항 센서로부터 출력되는 출력 전압을 입력으로서 취하는 밴드 패스 필터; 및 상기 밴드 패스 필터로부터의 감지 전압을 입력으로서 취하고 주파수 생성기로부터의 기준 신호를 입력으로서 취하는 위상 감응 검출기를 포함한다.
예 12는, 예 9 내지 11 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 제1 스트랩에 제1 널링 전류를 제공하고 상기 제2 스트랩에 제2 널링 전류를 제공하는 피드백 회로를 더 포함한다.
예 13은, 예 10 내지 12 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 검출 회로는 푸리에 분해된 출력 전압의 2차 고주파 성분을 추출하고, 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호 및 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호를 출력하는 디지털 프로세서를 포함한다.
예 14는, 예 9 내지 13 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 강자성 자유층 및 오버레잉하는 구동 자기장 스트랩 사이에 위치 설정된 절연층을 더 포함한다.
예 15는, 예 9 내지 14 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 자기저항 센서는 자이언트 자기 저항기이다.
예 16은, 예 9 내지 15 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 자기저항 센서는 자기 터널 접합부이다.
예 17은, 예 9 내지 16 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 제1 스트랩에 상기 제1 교류 구동 전류를 공급하고 상기 제2 스트랩에 상기 제2 교류 구동 전류를 공급하는 주파수 생성기를 더 포함하며, 상기 자기저항 센서, 상기 제1 스트랩, 상기 제2 스트랩 및 상기 주파수 생성기는 실리콘 기판 상에 집적된다.
예 18은, 예 9 내지 17 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 자기저항 센서, 상기 제1 스트랩 및 상기 제2 스트랩은 실리콘 기판 상에 집적된다.
예 19는, 예 9 내지 18 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 상기 제1 스트랩은 제1 방향으로 연장되는 치수를 갖고, 상기 제2 스트랩은 제2 방향으로 연장되는 치수를 갖고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 수직이며, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 90도 어긋난다.
예 20은, 예 9 내지 17 중 어느 하나의 자기저항 센서 시스템을 구비하며, 평면 내에 자기장의 배향 및 크기를 측정하는 자기저항 센서 시스템으로서, 회전가능한 자화 배향을 갖는 강자성 자유층, 고정 자화 배향을 갖는 강자성 기준층, 및 상기 강자성 자유층과 상기 강자성 기준층 사이의 배리어층을 포함하는 자기저항 센서; 구동 주파수에서 제1 교류 구동 전류를 반송하는 제1 스트랩으로서, 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분은 자기저항 센서를 오버레잉하고, 상기 제1 스트랩은 제1 방향으로 연장되는 치수를 갖는, 상기 제1 스트랩; 상기 구동 주파수에서 제2 교류 구동 전류를 반송하는 제2 스트랩으로서, 상기 제2 스트랩의 적어도 일부분은 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분을 오버레잉하고, 상기 제2 스트랩은 제2 방향으로 연장되는 치수를 갖고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 평행하지 않는, 상기 제2 스트랩; 상기 제1 구동 스크랩에 상기 제1 교류 구동 전류를 공급하고 상기 제2 구동 스트랩에 상기 제2 교류 구동 전류를 공급하는 생성기; 상기 자기저항 센서로부터의 출력 전압을 입력하고, 상기 제1 및 제2 교류 구동 전류의 주파수의 2배인 초기 주파수에서의 기준 신호를 입력하고, 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호를 출력하고, 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호를 출력하도록 작동가능한 검출 회로; 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호를 증폭하는 제1 증폭기; 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 증폭된 신호를 적분하고 상기 제1 구동 스트랩에 제1 널링 전류를 출력하는 제1 적분기; 상기 제1 적분기의 출력에서의 제1 직렬 저항기로서, 상기 제1 직렬 저항기에 걸친 전압 강하는 인가된 자기장의 Y 성분에 비례하는, 상기 제1 직렬 저항기; 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호를 증폭하는 제2 증폭기; 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 증폭된 신호를 적분하고 상기 제2 구동 스트랩에 제2 널링 전류를 출력하는 제2 적분기; 및 상기 제2 적분기의 출력에서의 제2 직렬 저항기로서, 상기 제2 직렬 저항기에 걸친 전압 강하는 인가된 자기장의 X 성분에 비례하는, 상기 제2 직렬 저항기를 포함한다.
하기의 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 실시예들이 기술되었다. 그럼에도, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고서 기술된 실시예들에 대한 각종 수정이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 하기의 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (3)

  1. 평면(X-Y) 내에 인가 자기장(450)을 측정하는 방법에 있어서,
    제1 스트랩(71)에 제1 교류 구동 전류(431)를 인가하는 단계로서, 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분(65)은 자기저항 센서(10)를 오버레잉하고, 상기 제1 스트랩은 제1 방향(X)으로 연장되는 치수를 갖는, 상기 제1 교류 구동 전류(431) 인가 단계;
    제1 스트랩(72)에 제2 교류 구동 전류(432)를 동시에 인가하는 단계로서, 상기 제2 스트랩의 적어도 일부분(66)은 상기 제1 스트랩의 적어도 일부분을 오버레잉하고, 상기 제2 스트랩은 제2 방향(Y)으로 연장되는 치수를 갖고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 평행하지 않고, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 어긋나고, 상기 자기저항 센서는 상기 자기저항 센서의 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장(440)을 받는, 상기 제2 교류 구동 전류(432) 인가 단계; 및
    측정되는 상기 인가 자기장이 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장에 중첩되면, 상기 자기저항 센서로부터의 출력된 출력 전압(Vout)의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함하며,
    상기 평면에서 측정되는 상기 인가 자기장의 크기가 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭(|Happlied|)에 비례하고,
    상기 평면에서 측정되는 인가된 자기장의 배향(φ)은 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 위상각과 관련되는,
    평면 내 인가 자기장 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전압(Vout)의 추출된 2차 고조파 성분의 X 투영을 나타내는 신호(330)를 출력하는 단계; 및
    상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 Y 투영을 나타내는 신호(331)를 출력하는 단계
    를 더 포함하는,
    평면 내 인가 자기장 측정 방법.
  3. 평면(X-Y) 내에 자기장(450)의 배향(φ) 및 크기(|Happlied|)를 측정하는 자기저항 센서 시스템(4)에 있어서,
    회전가능한 자화 배향을 갖는 강자성 자유층(60), 고정 자화 배향을 갖는 강자성 기준층(50), 및 상기 강자성 자유층(60)과 상기 강자성 기준층(50) 사이의 배리어층(40)을 포함하는 자기저항 센서(10);
    제1 교류 구동 전류(431)를 반송하도록 상기 자기저항 센서를 오버레잉하는 제1 스트랩(71);
    제2 교류 구동 전류(432)를 반송하도록 상기 자기저항 센서를 오버레잉하는 제2 스트랩(72)으로서, 상기 제2 교류 구동 전류는 상기 제1 교류 구동 전류에 대해 위상이 어긋나고, 상기 제2 스트랩은 상기 제1 스트랩의 일부(66)를 오버레잉하며, 상기 자기저항 센서는 상기 평면 내에서 회전하는 주기적인 회전형 구동 자기장(440)을 받는, 상기 제2 스트랩(72); 및
    상기 자기저항 센서(10)로부터 출력된 출력 전압(Vout)을 수신하고 상기 출력 전압의 2차 고조파 성분을 추출하는 검출 회로(150)를 포함하며,
    측정되는 상기 자기장(450)의 크기(|Happlied|)는 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파 성분의 진폭에 비례하고,
    측정되는 상기 자기장의 배향은 상기 출력 전압의 추출된 2차 고조파의 위상각에 단순 관련되는,
    자기저항 센서 시스템.
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