KR20160144462A - 자기장 센서들에서 i/f 잡음 및 오프셋 감소를 위한 바이폴러 초핑 - Google Patents

자기장 센서들에서 i/f 잡음 및 오프셋 감소를 위한 바이폴러 초핑 Download PDF

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Abstract

초핑 기술, 및 연관된 구조는 터널링 자기 저항(TMR) 필드 센서에서 자기 1/f 잡음 기여를 소거하도록 구현된다. TMR 필드 센서는 자기장을 감지하기 위해 다수의 TMR 소자들을 포함하는 제 1 브리지 회로 및 각각의 TMR 소자에 인접한 바이폴러 전류 펄스를 인가하기 위한 제 2 회로를 포함한다. 전류선들은 바이폴러 전류 펄스를 수신하기 위해 필드 소스에 연속적으로 또는 순차적으로 연결된다. 필드 센서는 바이폴러 펄스에 응답하여 고출력 및 저출력을 포함하는 출력을 갖는다. 이러한 비대칭 응답은 필드 센서에서 1/f 잡음 감소를 위한 초핑 기술을 허용한다.

Description

자기장 센서들에서 I/F 잡음 및 오프셋 감소를 위한 바이폴러 초핑{BIPOLAR CHOPPING FOR I/F NOISE AND OFFSET REDUCTION IN MAGNETIC FIELD SENSORS}
본 발명은 일반적으로 자기장 센서들의 분야에 관한 것이고, 특히 자기장 센서들에서 잡음 및 오프셋 감소 방법에 관한 것이다.
자기장 센서들은 다수의 전자 장치들, 예컨대 컴퓨터들, 랩탑들, 미디어 플레이어들, 스마트폰들, 등에 일반적으로 사용되었다. 자기장을 검출하기 위해 사용될 수 있는 수 개의 기술들/장치들이 존재한다. 터널링 자기 저항(TR)은 다른 자기 센서들과 비교하여 민감도, 출력, 및 처리 비용에서의 그의 이점들 때문에 핸드셋 애플리케이션들에 대한 유망한 자기 감지 기술이다. 자기장 감지에서 다른 밀접한 관련 기술은 거대 자기 저항(GMR)이다.
TMR 소자는 비자성, 절연 터널 배리어에 의해 이격된 두 개의 강자성층들로 구성된다. 하나의 층은 자기장에서 회전이 "자유로운" 자화 방향을 갖는다. 다른 층은, 감지에 관심 있는 낮은 강도에 적당한 자기장에서 회전하지 않는 "고정된", 기준 자화를 갖는다. 두 개의 층들의 자화 방향들은 서로에 평행한 경우, 터널 배리어의 전기 저항은 낮다. 반대로, 자화 방향들이 역평행일 때, 저항은 높다. 따라서, TMF에 기초한 자기장 센서는 자기장에 응답하여 고정층에 대하여 자기 자유층의 각도 변경에 따른 전기 저항의 변경에 의해 자기장을 전기 신호로 변환한다.
이러한 형태의 센서에서, 자기적 1/f 잡음은 층들 중 하나 또는 둘 모두에서 영역들의 자기 배향에서의 변동들에 의해 야기된다. 이들 변동들은 타깃 신호에서 잡음으로서 나타나고 간단하게 필터링될 수 없는 상이한 시간 스케일들에서 저항의 변경들을 생성한다. 1/f 잡음(핑크 잡음이라고도 불림)은 신호의 주파수에 반비례하는 주파수 스펙트럼 밀도(㎐당 에너지 또는 전력)를 갖는 신호 또는 변동 프로세스이다. 또한, 제로-필드 오프셋은 또한 센서에서 온도 또는 응력에 의존할 수 있는 어느 자기 필름에서 영역들의 자기 배향의 차이에 의해 생성될 수 있다.
따라서, TMR 자기장 센서들에서 1/f 잡음 및 오프셋을 효과적으로 감소시키기 위한 시스템, 디바이스, 및 방법을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 특정 실시예들은 TMR 센서들 내 자기적 1/f 잡음 및 오프셋 기여를 소거하기 위한 고유한 바이폴러 초핑 기술을 사용하는 시스템들, 디바이스들, 및 방법들을 제공한다. 이전에 기술된 바와 같이, 자기적 1/f 잡음은 TMR 자기장 센서들 내에 존재하고 이들 센서들의 성능 및 민감도를 감소시킬 수 있다. 콤파싱 및 움직임 감지 애플리케이션들을 위해 사용된 낮은 주파수들(<100㎐)에서, 1/f 자기적 잡음 기여는 우세해진다. 이러한 잡음은 TMR 센서 브리지의 제로 필드 오프셋에서 낮은 주파수 굴곡으로 나타나고, 따라서 정확성이 감소된다.
본 발명의 다수의 실시예들에 따라, 초핑 기술, 및 연관된 구조는 TMR 필드 센서에서 자기적 1/f 잡음 기여 및 오프셋을 소거하도록 구현된다. TMR 필드 센서는 자기장을 감지하도록 구성된 복수의 TMR 소자들을 포함하는 제 1 브리지 회로를 포함한다. 각각의 TMR 소자는 비자성, 절연 터널 배리어에 의해 이격된 제 1 및 제 2 강자성층들을 포함한다. TMR 필드 센서는 TMR 소자들의 각각에 인접하여 바이폴러 전류 펄스를 인가하도록 구성된 제 2 회로를 추가로 포함한다.
특정 실시예들에서, 제 2 회로는 제 1 브리지 회로의 각각의 TMR 소자의 제 2 (고정된) 강자성층에 인접하게 위치된 복수의 내장된 전류선들을 포함한다. 전류선들은 필드 소스에 연속적으로 또는 순차적으로 연결되고, 바이폴러 전류 펄스는 모든 전류선들에 인가된다. 바이폴러 전류 펄스가 인가될 때, 자기장 펄스는 제 1 (자유) 강자성층상에 생성된다. 인가된 전류 펄스의 극성에 의존하여, 생성된 자기장은 제 1 자유 강자성층을 제 1 또는 제 2 정렬로 스위칭한다.
바이폴러 전류 펄스가 TMR 소자의 각각에 인접하여 인가될 때, 자유층 배향은 전류 펄스 극성과 나란하도록 스위칭된다. 펄스가 완료된 후, 센서 출력은 자유층 정렬의 상기 극성에 대해 측정된다. 자유층 극성들의 각각에서 측정된, 측정된 센서 출력 신호는 부호를 변경하지 않지만, 자기적 1/f 기여 및 오프셋은 부호를 변경한다. 이러한 비대칭 응답은, 원하는 출력 데이터 레이트의 적어도 두 배의 반복 레이트로 자기장이 제 1 기간에 제 1 방향에서 인가되고, 이후 제 2 기간에 제 2 방향으로 인가되는 초핑 기술을 허용한다. 두 개의 기간들에서 센서 출력 신호들은 자기장 감지 신호가 구조상으로 추가되도록 조합되지만, 1/f 잡음 및 오프셋 기여들은 소거된다. 일 실시예에서, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향으로 인가된 자기장들은 자유 강자성층과 완전히 나란하다. 다른 실시예에서, 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향으로 인가된 자기장들은 원하는 (또는 더 양호한) 스위칭 분배들에 대해 자유 강자성층과 오프각 배향으로 정렬한다.
본 발명의 모든 양태들은 또한 GMR에 기초한 디바이스들에 직접 적용될 것이다. 여기에 개시된 본 발명은 또한 자기장들을 감지하기 위한 연자성막들을 이용하는 임의의 자기 감지 기술, 예를 들면, AMR, 플럭스게이트, 플럭스 집신기를 갖는 Hall에 적용한다. 간략함 및 명확성을 위해, 본 발명은 일 예로서 TMR 기술을 사용하여 본 문서에서 기술될 것이다.
본 발명은 TMR 자기장 센서들에서 1/f 잡음 및 오프셋을 효과적으로 감소시키기 위한 시스템, 디바이스, 및 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 TMR 자기장 센서의 일 예시적인 구조 개요도.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 단일 TMR 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 두 개의 상이한 초핑 상태들의 일 예시도.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 Z-축에 대한 브리지 회로의 일 예시적인 도면.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 일 예시적인 제어 전류 신호를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 일 예시적인 센서 출력 신호를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 확인 측정 결과들의 도면.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 순차적인 리셋 및 제어 로직을 위한 다중 먹싱(멀티플렉싱된) H 브리지들의 일 예시도.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 판독 체인의 일 예시도.
첨부하는 도면들에 도시되는 본 발명의 예시적인 실시예들에 대한 참조가 행해질 것이다. 이들 도면들은 한정보다는 예시하도록 의도된다. 본 발명이 일반적으로 이들 실시예들의 환경에서 기술되지만, 도시 및 기술된 실시예들의 특정한 특징들에 대해 본 발명의 범위를 제한하기 위해 행해지는 것으로 의도되지 않는다.
당업자는 다양한 구현들 및 본 발명의 실시예들이 명세서에 따라 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이들 구현들 및 실시예들 모두는 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
다음의 기술에서, 설명을 위하여, 특정한 상세들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해 진술된다. 그러나, 본 발명은 이들 상세들의 일부 또는 모두 없이 실시될 수 있다. 이하에 기술된 본 발명의 실시예들은 다수의 상이한 전기 구성 요소들, 회로들, 디바이스들, 및 시스템들로 통합될 수 있다. 블록도에 도시된 구조들 및 디바이스들은 본 발명의 예시적인 실시예들의 예시이고, 본 발명의 일반적인 교시들을 모호하게 하는 이유 때문에 사용되지 않는다. 도면들 내의 구성 요소들 사이의 연결들은 직접 연결들로 한정되도록 의도되지 않는다. 오히려, 구성 요소들 사이의 연결들은 변형, 재설정, 또는 그와 다르게 중간 구성 요소들에 의해 변경될 수 있다.
명세서가 "하나의 실시예"를 참조할 때, 논의되는 실시예와 관련하여 기술된 특별한 특징, 구조, 특징, 또는 기능이 본 발명의 적어도 하나의 고려된 실시예에 포함된다는 것을 의미하도록 의도된다. 따라서, 명세서에서 상이한 장소들의 어구 "하나의 실시예에서"의 출현은 본 발명의 단일 실시예에 대한 복수의 참조들을 구성하지 않는다.
본 발명의 다양한 실시예들은 컴퓨터들, 랩탑들, 미디어 플레이어들, 스마트 폰들, 웨어러블 전자 장치들, 등과 같은, 다양한 전자 장치들에서 사용된 TMR 자기장 센서들에서 1/f 잡음 감소 및 오프셋 감소를 위해 사용된다. TMR 자기장 센서들, 및 그 안의 단일의 TMR 소자는 단일 구성 요소상에 집적될 수 있거나 또는 개별적인 구성 요소들을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 기술들 및 방법들의 다양한 세트에 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 TMR 자기장 센서(100)의 개략도를 도시한다. 자기장 센서(100)는 전압 소스(300)에 의해 전력 공급된 제 1 브리지 회로(200), 및 선택적인 안정화 필드 소스(500)에 의해 전력 공급된 제 2 회로(400)를 포함한다. 일 실시예에서, 필드 소스(500)는 전류원이다. 제 1 브리지 회로(200)는 복수의 TMR 소자들(210)을 포함한다. 브리지 회로(200)는 하프 브리지 회로, 풀 브리지 회로, 또는 그의 임의의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 브리지 회로(200)는 브랜치들을 따라 몇몇 중간 지점에서 두 개의 브랜치들 사이의 브리지 출력 신호(260)를 갖는 두 개의 회로 브랜치들을 구비한 브리지 회로이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 단일 TMR 소자(210)의 단면도를 도시한다. TMR 센서(210)는 비자성, 절연 터널 배리어(216)에 의해 이격된 제 1 강자성층(212) 및 제 2 강자성층(214)으로 구성된다. 일 실시예에서, 제 1 층(212)은 자기장에서 회전이 자유로운 자화 방향(232)을 갖는다. 제 2 층(214)은 자기장에 있을 때 회전하지 않는 고정된 기준 자화 방향(234)을 갖는다. 두 개의 층들의 자화 방향들이 서로 평행할 경우, 터널 배리어(216)의 전기 저항은 낮다. 반대로, 자화 방향이 역평행일 때, 저항은 크다. 따라서, TMR 소자는 자기장에 응답하여 고정층에 대하여 자기 자유층의 변경 각도에 의해 전기 저항을 변경함으로써 자기장을 전기 신호로 변환한다. 강자성층들(212, 214)은 임의의 적절한 강자성 물질, 예컨대 Ni, Fe, 또는 그들의 합금들로 형성될 수 있다. 절연 터널 배리어(216)는 절연체 물질들, 예컨대 AlOx, MgOx, ZrOx, TiOx, HfOx, 또는 그의 임의의 조합들로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 강자성층(212)은 제 1 접점(212)에 의해 제 1 도전선(224)에 연결되고, 제 2 강자성층(214)은 제 2 강자성층 아래뿐만 아니라 위로부터 접촉할 수 있는 제 2 접점(226)에 의해 제 2 도전선(228)에 연결된다.
일 실시예에서, 제 2 회로(400)는 각각의 TMR 소자(210)의 제 2 강자성층(214)에 인접하게 위치된 복수의 내장된 전류선들(410)을 포함한다. 전류선들(410)은 전류 펄스가 각각의 TMR 소자(210)에 대해 전류선에 인가되도록 연결된다. 전류선들(410)의 연결은 다양한 실시예들에 따라 순차적, 연속적일 수 있거나 또는 시간 다중화될 수 있다. 다른 실시예에서, 전류선은 또한 제 1 강자성층(212)에 인접하게 위치될 수 있거나, 또는 각각의 TMR 소자(210)의 제 1 및 제 2 강자성층들 모두에 인접하게 위치될 수 있다. 제 1 강자성층(212)은 장축 및 단축을 갖는 형상으로 패터닝된다. 제로 자기장에서, 제 1 강자성층(212)의 자화 방향은 소자의 장축을 따라 놓이고, 이러한 축을 따라 두 개의 방향들 중 하나로 지향될 수 있다. 제어 전류 신호를 전류선(410)에 인가함으로써, 유도된 자기장은 전류선을 둘러싸는 주변 영역에서 생성된다. 제 1 층(212)이 회전 및 스위칭에 대해 자유로운 자화 방향(232)을 갖기 때문에, 자화 방향(232)은 유도된 자기장에 의해 그의 축상에 투영된 방향을 따라 스위칭할 것이다. 도 2의 일 예시적인 도시로서, 전류선(410) 내 전류가 바깥쪽을 가리키는 방향을 가질 때, 자화 방향(232)은 왼쪽을 가리키고, 이는 기준 자화 방향(234)에 대해 음으로 정렬되는 성분을 갖고, 자유층을 왼쪽으로 스위칭할 것이다; 전류선(410) 내 전류가 안쪽을 가리키는 방향을 가질 때, 자화 방향(232)은 오른쪽을 가리키고, 이는 기준 자화 방향(234)에 대해 양으로 정렬되는 성분을 갖고, 자유층을 오른쪽으로 스위칭할 것이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 X-Y 축 자기 감지를 위한 브리지 회로의 두 개의 상이한 초핑 상태들의 일 예시적인 도면을 도시한다. 전류 펄스가 전류선(410)에 인가될 때, 자화 방향(232)을 갖는 자기장 펄스가 제 1 강자성층상에 생성된다. 인가된 전류 펄스의 극성에 따라, 생성된 자기장은 제 2 강자성층의 기준 자화 방향(232)에 양으로 또는 음으로 정렬되는 성분을 갖도록 자유층 방향(232)을 스위칭한다.
도 3a는 일반적으로 제 1 강자성층(212)에서 양으로 정렬된 자화 방향(232)을 도시하고, 도 3b는 일반적으로 제 1 강자성층(212)에서 음으로 정렬된 자화 방향(232)을 도시한다. 일 실시예에서, 생성된 자화 방향(232)과 기준 자화 방향(234) 사이의 교차각은 양의 정렬하에서 45도 또는 음의 정렬하에서 225도이다. 상기 교차각들은 명확성 및 이해의 예시적인 목적들을 위해 기술된다. 교차각은 양의 정렬 하에서 0과 ±90 사이의 임의의 각 또는 음의 정렬하에서 180와 270 사이의 임의의 각일 수 있다. 여기서, 도면은 각각의 감지 소자가 감지 소자들의 어레이를 나타낼 수 있도록 간략화된다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 Z축 자기 감지를 위한 브리지 회로의 두 개의 상이한 초핑 상태들의 일 예시적인 도면을 도시한다. Z-축 자기 감지를 위해, 각각의 TMR 소자는 적어도 하나의 플럭스 가이드(218)를 통합한다. 플럭스 가이드(218)는 각각의 개별적인 브리지 레그에서 자기 감지 소자의 반대 에지들에 근접하게 종단하는 단부들을 갖는 고투자율 재료로 만들어진 높은 종횡비 수직 바이다. 일 실시예에서, 플럭스 가이드는 제 1 (자유) 강자성층(212) 위 및/또는 아래로 변위될 수 있다. 플럭스 가이드는 Z 방향으로 배향된 인가된 자기장으로부터 자속을 캡처하고, 플럭스 가이드들의 단부들 근처의 수평 성분을 갖도록 자력선들을 구부린다. 도 4a는 생성된 자화 방향(232)과 기준 자화 방향(234) 사이의 +90도 교차각을 도시하고, 도 4b는 -90도 교차각을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 일 예시적인 제어 바이폴러 전류 신호(600)이다. 리셋/안정화 필드 소스(500)는 도 4에 도시되는 예시적인 제어 바이폴러 전류 신호(600)와 같은 원하는 제어 전류를 생성하고 전류선(410)에 인가하도록 구성된다. 바이폴러 전류 신호(600)는 양의 부분(610)(+I_stab) 및 음의 부분(620)(-I_stab)을 포함하는 주기 신호이다. 일 실시예에서, 바이폴러 전류 신호(600)는 자화 방향을 스위칭하도록 기능한 양의 부분(610)의 시작부에 위치되는 양의 리셋 펄스(611)(+I_reset)를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 바이폴러 전류 신호(600)는 자화 방향을 반대 방향으로 스위칭하도록 기능한 음의 부분(620)의 시작부에 위치되는 음의 리셋 펄스(621)(-I_reset)를 추가로 포함한다.
양/음 리셋 펄스들(611/621)은 출력 레이트, 전력, 및 잡음 요건들에 의존하여 양/음 부분들의 10배 내지 1M 배 이상일 수 있다. 양/음 부분들(610/620)은 특정한 상황들에서 0을 포함하는 임의의 값들을 취할 수 있다. 일 실시예에서, 양의 부분(610)은 음의 부분(620)과 같다. 다른 실시예에서, 양의 부분(610)은 음의 부분(620)과 상이하다.
일 실시예에서, 바이폴러 전류 신호(600)는 각각이 전류 신호(600)의 매 주기의 50%를 점유하는 양의 부분(610) 및 음의 부분(620)과 대칭이다. 일 실시에에서, 바이폴러 전류 신호(600)는 전류 신호(600)의 매 주기의 상이한 퍼센티지를 점유하는 양의 부분(610) 및 음의 부분(620)과 비대칭이다. 또 다른 실시예에서, 단일의 -I 리셋 펄스 및 이후 긴 일련의 +I 리셋 펄스들이 존재할 수 있고, 각각의 다음 측정에 추가된 샘플링된 초기 측정은 다음의 각각의 +I 리셋 펄스가 후속한다. 1/f 잡음 최소화를 위하여, 바이폴러 전류 신호(600)는 자기장 센서(100)의 브리지 출력 신호(260)의 원하는 출력 데이터 레이트의 적어도 두 배의 레이트에서 인가된다. 도 5에서 바이폴러 전류 신호(600)의 10밀리초 주기는 예시적인 목적을 위한 것이고, 이는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다. 오프셋 삭감을 위해 초기 측정 위상을 갖는 비대칭 주기가 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 도 4에서 인가된 바이폴러 전류 신호(600)에 응답하여 일 예시적인 브리지 출력 신호(260)를 도시한다. 브리지 출력 신호(260)는 양의 부분(610)(+I_stab) 및 음의 부분(620)(-I_stab)에 응답하여 고출력(261) 및 저출력(262)을 갖는다. 브리지 출력 신호(260)는 대칭적 바이폴러 전류 신호(600)에 비대칭적으로 응답한다. 일 실시예에서, 고출력(261) 및 저출력(262)은 둘 모두 양이다. 또 다른 실시예에서, 고출력(261)은 양이고, 저출력(262)은 음이다. 이러한 예시적인 경우에서 인가된 필드에 대하여, 양의 출력(261)은 음의 출력(262)보다 높은 절대 전압값을 갖는다. 결과로서, 바이폴러 전류 신호(600)가 대칭적이고 0의 평균값을 갖지만, 출력 신호(260)는 전체 평균 필드 종속값을 갖는다. 일반적인 회로 구현에서, 두 개의 값들이 샘플링 및 유지되고 출력 신호를 생성하기 위해 함께 추가된다. 바이폴러 전류 신호(600)가 자기장 센서(100)의 브리지 출력 신호(260)의 원하는 출력 데이터 레이트의 적어도 두 배인 레이트로 인가되는 한, 바이폴러 전류 신호(600)의 구현은 자기장 센서(100)의 정상 동작 출력을 방해하지 않는다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 연장된 시간 기간에 걸쳐 확인 측정 결과들의 도면을 도시한다. 도면은 양의 신호 트레인(271)(Vpos)을 생성하기 위해 개별적인 신호들(261)의 많은 샘플들을 포함하고, 음의 신호 트레인(272)(Vneg)을 생성하기 위해 음의 신호들(252) 및 전체 신호(273)(Vtot)의 많은 샘플들을 포함하다. 도 6에서, Y축은 하나의 깨끗한 그래프상에 모든 결과들을 맞춤하기 위해 일정한 DC 전압을 공제한 오프셋이다. 양의 신호(271) 및 음의 신호(272)의 각각의 지점은 전이들에서 링잉을 제거하기 위해 각각의 리셋 펄스 후에 지연 후에 취해진다. 양 및 음의 신호들은 명확하게 낮은 주파수에서 반전한다. 결과적으로, 전체 신호(273)는 서로 소거하는 양의 신호(271) 및 음의 신호(272)에 의해 많이 감소된 1/f 잡음 기여를 식별한다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시에들에 따라 순차적인 리셋 및 제어 로직을 위한 다중 먹싱 H 브리지 회로(800)를 도시한다. 먹싱 H 브리지 회로(800)는 각각의 TMR 소자(210)의 전류선(410)에 대하여 복수의 단일 H 브리지 회로들을 형성한다. 먹싱 H 브리지 회로(800)는 전류선(410)에서 전류 흐름 경로를 제어하기 위한 복수의 트랜지스터들(810)을 포함한다. 예를 들면, p1 및 n1 트랜지스터들은 폐쇄될 수 있고, 따라서, 전류선(410) 내 전류는 제 1 리셋 경로(810)를 따를 수 있고, 이후 p2 및 n2 등은 전류선들의 리셋을 위해 유사한 리셋 경로를 순차적으로 허용할 것이다. 나중에 반대 방향의 제 2 리셋 경로(802)는 이러한 경로 p2 및 n0에서 원하는 트랜지스터들 조합의 개방/폐쇄를 제어함으로서 확립된다. 일 실시예에서, 각각의 전류선(410)의 전류 경로는 개별적으로(순차적응로) 제어된다. 다른 실시예에서, 모든 전류선들(410)의 전류 경로들은 모든 전류선들에 대하여 단일의 통합된 전류 경로에 대해 함께 제어된다. 믹싱된 H 브리지 회로의 고유한 제어 로직에 의해, 자기장 센서는 제 1 리셋 펄스 트레인 후에 제 1 측정을 실행하고, 제 1 측정 값들을 저장하고, 제 2 리셋 펄스 트레인 후에 제 2 측정을 실행하고, 제 2 측정 값들을 저장하고, 전체 출력을 생성하기 위해 두 개의 측정 값들의 합산을 할 수 있다. 도 8에 도시된 믹싱된 H 브리지 회로는 다수의 전류선 및 트랜지스터들을 수용하기 위해 쉽게 확장되거나 수축될 수 있다. 다중의 믹싱된 H 브리지 회로(800)는 단지 일 예시적인 목적을 위한 것이다. 믹싱된 H 브리지 회로의 다양한 변경들은 본 출원의 범위 및 동등성 내에서 가능할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 일 예시적인 판독 체인을 도시한다. 판독 체인(900)은 자기 바이폴러 리셋 촙(910), 자기 센서(920), 전기 촙(930), 저잡음 증폭기(LNA)(940), 아날로그 디지털(A/D) 컨버터(950), 전기 디촙(960), 자기 디촙(970), 등을 포함한다. 전기 촙(930), 저잡음 증폭기(LNA)(940), A/D 컨버터(950), 및 전기 디촙(960)은 축 먹싱, 다운샘플링, 평균화, 등을 위한 구성 요소들을 또한 포함할 수 있는 판독 체인의 전기부(902)를 형성한다. 일 실시예에서, 자기 바이폴러 리셋 촙(910)은 1 내지 50,000 ㎐ 주파수 범위에서 동작하고, 전기 디촙(960)은 40 ㎑ 주파수에서 동작하지만, 일반적으로 자기 촙 주파수의 두 배이고, 자기 디촙(970)은 자기 바이폴러 리셋 촙(910) 주파수에 매칭된다. 다른 실시예에서, 상기 구성 요소들은 또한 애플리케이션들에 따라 다른 동작 주파수들 또는 순서로 작동할 수 있다. 촙 및 디-촙 쌍은 샘플을 형성할 수 있고, 신호가 도 7에서 센서 출력(273)을 생성하는 상태의 각각에서 합산하게 하는 회로를 보유할 수 있다.
당업자는, 그의 모두가 본 발명의 범위 내에 있는, 기술된 아키텍처 내에서 다양한 구현들이 실현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 다양한 파라미터들은 TMR 자기장 센서들에서 1/f 잡음의 최대 제거를 위해 조정될 수 있다. 이들 파라미터들의 일부는 리셋 펄스 폭 및 진폭, 바이폴러 전류 신호 주기, 바이폴러 전류 신호의 공간비, 등을 포함한다.
본 발명의 전술한 기술은 명확성 및 이해의 목적들을 위해 기술되었다. 이는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하는 것이 의도되지 않는다. 다양한 변형들이 본 출원의 범위 및 동등성 이내에 가능할 수 있다.
100 : TMR 자기장 센서 200 : 제 1 브리지 회로
210 : TMR 소자들 260 : 브리지 출력 신호
300 : 전압 소스 400 : 제 2 회로
410 : 전류선들 500 : 안정화 필드 소스

Claims (20)

  1. 자기장들을 감지하기 위한 자기 저항 필드 센서에 있어서,
    복수의 자기 저항 소자들을 포함하는 제 1 브리지 회로로서, 상기 복수의 자기 저항 소자들의 각각은 비자성 절연 배리어에 의해 이격된 제 1 강자성층 및 제 2 강자성층을 포함하는, 상기 제 1 브리지 회로; 및
    상기 자기 저항 소자들의 각각에 인접하여 바이폴러 전류 신호를 인가하도록 구성된 제 2 회로를 포함하는, 자기 저항 필드 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 저항 소자는 터널링 자기 저항(TMR) 소자, 거대 자기 저항(GMR) 소자 또는 이방성 자기 저항(AMR) 소자인, 자기 저항 필드 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 자기 저항 소자의 상기 제 1 강자성층은 자기장에서 회전이 자유로운 자화 방향을 갖고, 각각의 자기 저항 소자의 상기 제 2 강자성체층은 고정된 자화 방향을 갖는, 자기 저항 필드 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 제 1 브리지 회로에서 각각의 자기 저항 소자의 상기 제 1 강자성층, 상기 제 2 강자성층 또는 상기 제 1 및 제 2 강자성 층들 모두에 인접하여 위치된 복수의 내장된 전류선들을 통해 인가되는, 자기 저항 필드 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전류선들은 필드 소스에 연속적으로 또는 순차적으로 연결되고, 상기 바이폴러 전류 신호는 상기 복수의 전류선들 모두에 인가되는, 자기 저항 필드 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 양의 부분 및 음의 부분을 포함하는 주기 신호이고, 상기 제 1 브리지 회로는 상기 바이폴러 전류 신호의 상기 양의 부분 및 상기 음의 부분에 각각 응답하여 고출력 및 저출력을 포함하는 출력을 갖는, 자기 저항 필드 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 양의 부분의 시작부에 위치된 양의 리셋 펄스 및 상기 음의 부분의 시작부에 위치된 음의 리셋 펄스를 추가로 포함하는, 자기 저항 필드 센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 각각이 상기 바이폴러 전류 신호의 매 주기의 50%를 점유하는 상기 양의 부분 및 상기 음의 부분으로 대칭인, 자기 저항 필드 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 바이폴러 전류 신호의 매 주기의 상이한 퍼센티지를 점유하는 상기 양의 부분 및 상기 음의 부분으로 비대칭인, 자기 저항 필드 센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 제 1 브리지 회로 출력 신호의 원하는 출력 데이터 레이트의 적어도 두 배의 레이트로 인가되는, 자기 저항 필드 센서.
  11. 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법으로서, 상기 필드 센서는 복수의 자기 저항 소자들을 포함하는 제 1 브리지 회로를 포함하고, 상기 복수의 자기 저항 소자들의 각각은 비자성 절연 배리어에 의해 이격된 제 1 강자성층 및 제 2 강자성층을 포함하는, 상기 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법에 있어서,
    제 2 회로를 통해 상기 자기 저항 소자들의 각각에 인접하여 바이폴러 전류 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 제 1 브리지 회로의 각각의 자기 저항 소자의 상기 제 1 강자성층, 상기 제 2 강자성층, 또는 상기 제 1 및 제 2 강자성층들 모두에 인접하여 위치된 복수의 내장된 전류선들을 통해 인가되는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전류선들은 전계 소스에 연속적으로 또는 순차적으로 연결되고, 상기 바이폴러 전류 신호는 상기 복수의 전류선들 모두에 인가되는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 양의 부분 및 음의 부분을 포함하는 주기 신호이고, 상기 제 1 브리지 회로는 상기 바이폴러 전류 신호의 상기 양의 부분 및 상기 음의 부분 각각에 응답하여 고출력 및 저출력을 포함하는 출력을 갖는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 양의 부분의 시작부에 위치된 양의 리셋 펄스 및 상기 음의 부분의 시작부에 위치된 음의 리셋 펄스를 추가로 포함하는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 바이폴러 전류 신호는 상기 제 1 브리지 회로 출력 신호의 원하는 출력 데이터 레이트의 적어도 두 배의 레이트로 인가되는, 자기 저항 필드 센서에서 잡음 및 오프셋 감소 방법.
  17. 자기장들을 감지하기 위한 자기 저항 필드 센서에 있어서,
    복수의 자기 저항 소자들을 포함하는 제 1 브리지 회로로서, 상기 복수의 자기 저항 소자들의 각각은 비자성, 절연 배리어에 의해 이격된 제 1 및 제 2 강자성층들을 포함하는, 상기 제 1 브리지 회로, 및
    상기 자기 저항 소자들의 각각에 인접하여 위치된 복수의 내장된 전류선들을 통해 바이폴러 전류 신호를 인가하도록 구성된 제 2 회로로서, 상기 복수의 내장된 전류선들의 각각에서 전류 경로를 제어하기 위해 다중 먹싱 H 브리지 회로(multiple muxed H bridge circuit)를 포함하는, 상기 제 2 회로를 포함하는, 자기 저항 필드 센서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 먹싱 H 브리지 회로는 상기 복수의 내장된 전류선들의 각각에서 전류 경로를 제어하기 위한 복수의 트랜지스터들을 포함하는, 자기 저항 필드 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 내장된 전류선들의 각각에서 상기 전류 경로는 연속적으로 또는 순차적으로 제어되는, 자기 저항 필드 센서.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 내장된 전류선들의 각각에서 상기 전류 경로는 모든 전류선들에 대해 단일의 통합된 전류 경로에 대해 함께 제어되는, 자기 저항 필드 센서.
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