TW201329478A - 使用單一磁阻感測器以測定一磁場之同平面磁場分量之裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用以沿一平面量測一施加磁場之方法。該方法包括同時施加一第一及第二交變驅動電流至上覆一磁阻感測器之一各別第一及第二帶以使得該磁阻感測器經受沿該磁阻感測器中之該平面旋轉之一週期性旋轉磁性驅動場。當欲量測之該施加磁場疊加於沿該平面旋轉之該週期性旋轉磁性驅動場上時，該方法包括提取自該磁阻感測器輸出之一輸出電壓之一第二諧波分量。欲沿該平面量測之該磁場之量值與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一振幅成比例。欲沿該平面量測之該磁場之定向與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。

Description

使用單一磁阻感測器以測定一磁場之同平面磁場分量之裝置及方法
期望能夠使用同一基板上之成批製作裝置來感測一平面型場之兩個分量而無需鋸切及封裝。當前可用技術藉由內退火(annealing-in)相鄰穿隧接面上之正交釘紮層/參考層(PL/RL)磁化方向來解決此問題。
磁性穿隧接面具有大約數百個百分比之高磁阻比率(亦即，(Rmax-Rmin)/Rmin=△R/R)且當前用於量測中至高位準之磁場。磁性穿隧接面亦具有一高1/f雜訊。在低頻率下之高雜訊密度阻止了使用磁性穿隧接面來量測處於小於一kHz之數量級之頻率之小位準之磁場。
本申請案係關於一種用以沿一平面量測一施加磁場之方法。該方法包括施加一第一交變驅動電流至一第一帶。該第一帶之至少一部分上覆一磁阻感測器。該第一帶具有沿一第一方向延伸之一尺寸。該方法亦包括同時施加一第二交變驅動電流至一第二帶。該第二帶之至少一部分上覆該第一帶之該至少一部分。該第二帶具有沿一第二方向延伸之一尺寸。該第二方向不平行於該第一方向且該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相以使得該磁阻感測器經受沿該磁阻感測器中之該平面旋轉之一週期性旋轉磁性驅動場。當欲量測之施加磁場疊加於沿該平面旋轉之該週期性旋轉磁性驅動場上時，該方法進一步包括提取自該磁阻感測器輸出之一輸出電壓之一第二諧波分量。欲沿 該平面量測之該磁場之量值與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一振幅成比例。欲沿該平面量測之該磁場之定向與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。
提出專利申請的本發明之各實施例之細節陳述於隨附圖式及下文說明中。根據說明、圖式及申請專利範圍，將明瞭其他特徵及優點。
在各圖式中，相同參考編號及標號指示相同元件。
磁阻(MR)感測器用於磁羅盤、磁性異常偵測、輪齒感測等，亦即，用於其中必須感測較小磁場值或較小地球磁場變化之任一應用中。磁通閘門及超導量子干涉裝置(SQUID)係能夠量測較小磁場值或較小磁場變化之塊體級磁性感測器。
晶片尺度磁阻感測器可以低成本製造且因此優於塊體級磁性感測器。各向異性磁阻(AMR)感測器、巨磁阻(GMR)感測器及磁性穿隧接面(MTJ)感測器係以一晶片尺度製造而成。GMR及MTJ堆疊包括可改變其磁化定向之一鐵磁自由層、具有一固定磁化定向之一鐵磁參考層及其之間的一障壁層。各向異性磁阻器具有約2%至3%之磁阻比率△R/R。巨磁阻器有利地提供大約數十百分比之較高磁阻比率△R/R。磁性穿隧接面提供大約數百百分比之更高磁阻(MR)比率。
晶片尺度GMR或MTJ感測器之另一優點係其小尺寸。舉 例而言，多層磁阻感測器(GMR或MTJ)可具有數十個至數百奈米之尺寸。上覆一100 nm至150 nm寬MTJ之一200 nm寬金屬線具有32 μAmp/Oe之一「場轉換因數」，且一微米寬線具有159 μAmp/Oe之場轉換因數。因此，切換、旋轉一經適當構建多層磁阻感測器之自由層或使其飽和所需之場可藉由使用消耗適度電力消耗之較簡單應用專用積體電路(ASIC)施加適度電流至此一感測器而產生。
然而，多層磁阻(GMR或GTJ)感測器之雜訊功率譜密度(包括及1/f及巴克豪森(Barkhausen)雜訊分量)高於AMR感測器之雜訊功率譜密度。對於在低頻下發生之磁變而言，1/f雜訊佔優勢，因此，多層磁阻感測器之較高磁阻比率不會轉化為相應更高信雜比。為了將多層磁阻感測器之高磁阻比率轉化成一低最小可偵測場(mdf)或雜訊等效場解析度，必須改良信雜(SN)比。在高於一1/f雜訊對頻率曲線圖之關係曲線之拐點之頻率下，信雜(SN)比增大。
闡述用以改良多層磁阻感測器之信雜比及用以使用一單一多層磁阻感測器來量測一磁場之同平面磁場分量之系統及方法之實施例。如本文中所定義，該「沿一平面之一磁場之磁場分量」係該磁場至跨越該平面之基本向量(該平面之軸)上之投影。舉例而言，沿一X-Y平面之一磁場之磁場分量係該磁場至X軸及Y軸上之投影。如本文中所定義，該「沿一X-Y平面之施加磁場」係投影至該X-Y平面上之施加磁場。術語「X-Y平面」、「平面型場」及「選定平面」在本文中可互換使用。一磁場之同平面磁場分量 提供沿該選定平面之該磁場之一定向及量值。特定而言，該磁場之一X分量及一Y分量提供指示沿該選定平面之該磁場之定向及量值之資訊。本文中所述之感測器系統利用能夠實現低成本及低功率消耗以及高解析度之磁性穿隧接面及/或巨磁阻器之獨特性質。本文使用之術語多層磁阻(MR)感測器適用於具有大於AMR感測器之磁阻比率之磁性穿隧接面感測器及巨磁阻器感測器兩者。
本文中所述之磁阻感測器系統與先前技術的不同之處在於使用一單一穿隧接面來量測一同平面施加磁場之定向及量值，該單一穿隧接面可使用對一晶圓上之所有穿隧接面之正交PL/RL磁化方向之相同內退火來製作於該晶圓上。因此，本文中所述之穿隧接面不需要如在先前技術中那樣創建釘紮層/參考層磁化之正交方向。如本文中所定義，該「施加磁場」係自該磁阻感測器系統外部之一源入射於(施加於)該磁阻感測器上之一磁場。在本文中所述之磁阻感測器系統中，在該磁阻感測器之自由層中產生一週期性旋轉磁性驅動場。該週期性旋轉磁性驅動場大到足以使該自由層飽和但小到足以使該磁阻感測器之合成反鐵磁體大體上不受影響。因此，該自由層隨該旋轉磁性驅動場之週期旋轉。
在有額外外部DC(或低頻)場之情況下，該磁阻感測器之感測器輸出形成使用相位敏感偵測技術偵測之一第二諧波分量。第二諧波分量之量值及相位角分別隨該外部場之量值及定向而變化，從而實現對該同平面場之這兩個分量之 測定。偵測電路可位於感測器晶片外部，抑或可使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)製程與該MTJ一起整合於矽上。
圖1A係根據本發明之一多層磁阻(MR)感測器10、一第一驅動帶71及一第二驅動帶72之一項實施例之一方塊圖。第一驅動帶71(在本文中亦稱作第一帶71)之至少一部分65上覆磁阻感測器(MS)10以攜載一第一交變驅動電流。第一驅動帶71具有沿一第一方向延伸之一尺寸。如圖1A中所示，第一方向平行於X軸。第二驅動帶72(在本文中亦稱作第二帶72)之至少一部分66上覆磁阻感測器10及第一驅動帶71之部分65以攜載一第二交變驅動電流。第二驅動帶72具有沿一第二方向延伸之一尺寸，第二方向垂直於第一方向。如圖1A中所示，第二方向平行於Y軸。因此，第二帶72上覆且垂直於第一帶71。第二交變驅動電流相對於第一交變驅動電流異相九十度以使得磁阻感測器10經受沿磁阻感測器10之X-Y平面旋轉之一週期性旋轉驅動場。在此實施例之一個實施方案中，第一方向與第二方向不正交(不平行)且在此案例中，第二交變驅動電流相對於第一交變驅動電流異相將產生沿一選定平面之一週期性旋轉驅動場之一量。然而，此非正交系統需要額外計算且增加系統之複雜性。
多層MR感測器10包括自下而上堆疊之一反鐵磁體(AFM)20、一合成反鐵磁體(SAF)11、一障壁層55及一自由層60。合成反鐵磁體11包括自下而上堆疊之一鐵磁釘紮層30、一釘層40及一參考層50。該「障壁層55」在本文中亦 稱作「障壁55」。障壁55在感測器10係一磁性穿隧接面感測器之情況下係一氧化物絕緣體。障壁55在感測器10係一GMR感測器之情況下係一導電非磁性金屬層。
一經正確設計AFM/SAF結構中之參考層50之參考層磁化400係「固定的」，亦即，一施加磁場(達到一高位準，通常~kOe)不顯著改變參考層磁化400。因此，參考層50稱作一硬層。在圖1A中所示之實例性磁阻感測器10中，參考層50之參考層磁化400平行於Y軸。
參考層50位於將參考層50與一自由層60分離開之障壁55正下方。該自由層非常軟以致其磁化可藉助應用適度驅動場驅動成飽和。週期性旋轉驅動場Hrotating及任一施加磁場Happlied 450容易改變自由層60之磁化。因此，自由層60稱作一軟層。
自由層60之磁化率係自由層60處之所有磁性相互作用之淨和之一結果。此結果包括自由層之材料及形狀各向異性以及來自包含該穿隧接面之其他層之場。具有一圓形輪廓之一自由層有利地消除同平面形狀各向異性，但本發明中所併入之想法將很適用於其他幾何形狀，例如，方形或矩形。此處假定藉助材料、處理及幾何選擇之一組合，獲得一非常軟的自由層。此等材料、處理及幾何選擇通常為熟習此項技術所熟悉。
如圖1A中所示，第一交變驅動電流idrive1(f)產生一第一磁性驅動場Hdrive1(f)而第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)產生一第二磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)，其中△Φ係π/2個弧度。第 一交變驅動電流idrive1(f)可以寫成Ix(f)=I1sin(ωt)而第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)可以寫成Iy(f)=I2cos(ωt)。下面參照圖4及5來闡述第一磁性驅動場Hdrive1(f)及第二磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)以及自由層磁化上之外部施加磁場Happlied 450之效應。外部施加磁場Happlied 450係欲由磁性感測器10量測之場。術語「施加磁場」與「欲量測之磁場」在本文中可互換使用。施加磁場Happlied 450可以係一弱DC磁場或以遠小於驅動頻率f之低頻改變之一弱磁場。
AFM 20通常係由諸如NiMn、PtMn、IrMn或FeMn之一合金製成。藉由使大約kOe之一場中之SAF/AFM 11/20在處於大致200℃至350℃之範圍內之溫度下退火達幾個小時來在釘紮層30上創建交換偏置。此將AFM 20中之無補償自旋之方向設定於AFM 20與釘紮層30之間的界面處從而為釘紮層30提供一偏置場。釘紮層30與參考層50之間的強反鐵磁耦合將參考層磁化400之方向設定成與釘紮層磁化405之方向相反。將SAF 11之淨磁化定製為接近於零。因此，需要大約幾個kOe之高施加場以改變釘紮層/參考層對30/50之磁化。
磁阻感測器10之電阻R根據公式R(θ)=R 0 +△R(1-cos θ)/2隨參考層磁化400與自由層磁化之間的角而變化，θ係參考層400與自由層磁化之間的角。R0係磁阻感測器10在該兩個層之磁化平行時之電阻。因此，當僅旋轉磁性驅動場Hrotating 440(在本文中亦稱作磁性驅動場HD 440)施加至感測器10時，自由層磁化在此施加旋轉驅動場Hrotating 440的 影響下之旋轉產生一週期性磁阻。
圖1B展示沿圖1A之磁阻感測器10之X-Y平面以一角頻率ω週期性旋轉之磁性驅動場HD 440。如本文中所定義，一「週期性旋轉驅動場」係以一角頻率ω週期性旋轉之一磁性驅動場，其指示為Hrotating=HD=H0eiωt，其中H0係磁性驅動場HD 440之量值。向量H0之尖端隨著每一旋轉沿X-Y平面沿循一圓。相對於該平面之X-Y座標系統量測所有角。參考層磁化400相對於X軸成一夾角Φ R 。如圖1B中所示，欲量測之外部施加磁場在X-Y平面中相對於X軸成一夾角Φ。
圖2A係根據本發明之一磁性穿隧接面14、電觸點27及28、一第一驅動帶71及一第二驅動帶72之一項實施例之一方塊圖。磁性穿隧接面(MTJ)14係如圖1A中所示之一磁阻感測器10。圖1A中所示之障壁層55係磁性穿隧接面14中之一氧化物障壁層56。一非磁性帽蓋層61上覆磁性穿隧接面14之自由層(FL)60。電觸點(底部引線)27上覆一矽(Si)基板25上之一絕緣體26。上覆電觸點27之一非磁性晶種層22用於促進AFM層20之生長。電觸點(頂部引線)28上覆帽蓋層61。一絕緣層73將電觸點28與由一絕緣體層70覆蓋之第一驅動帶71隔離開。第二驅動帶72之至少一部分上覆絕緣體層70及第一驅動帶71之至少一部分。電觸點27及28經組態以將磁性穿隧接面14連接至用以量測磁性穿隧接面14之磁阻R(θ)之一電路。如圖2A中所示，該電路自底部引線(電觸點27)引向頂部引線(電觸點28)。圖3A係根據本發明 用以量測圖2A之磁性穿隧接面14之輸出電壓Vout之一電路90之一項實施例之一方塊圖。
圖2B係根據本發明之一巨磁阻器13、電觸點128及129、一第一驅動帶71及一第二驅動帶72之一項實施例之一方塊圖。GMR 13係如圖1A中所示之一多層磁阻感測器10。圖1A中所示之障壁層55係巨磁阻器13中之一非磁性導電層57(諸如，一銅(Cu)層57)。巨磁阻器13可在電流同平面(CIP)模式下操作。上覆絕緣體26之一晶種層22用於促進AFM層20之生長。一非磁性帽蓋層61上覆巨磁阻器13之自由層60。兩個電觸點(引線1及2)128及129上覆帽蓋層60之相對邊緣部分。電觸點128及129由絕緣體層73彼此分離開。絕緣體層73亦將電觸點128及129與由一絕緣體層70覆蓋之第一驅動帶71隔離開。第二驅動帶72上覆絕緣體層70。
電觸點128及129經組態以將磁阻感測器10連接至用以量測巨磁阻器13之磁阻之一電路。如圖2B中所示，該電路自引線1(電觸點128)引向引線2(電觸點129)。圖3B係根據本發明用以量測圖2B之巨磁阻器13之輸出電壓Vout之一電路91之一項實施例之一方塊圖。在此實施例之一個實施方案中，巨磁阻器13經組態以如為熟習此項技術者所知在電流垂直於平面(CPP)模式下操作。
圖4A及4B係根據本發明包括圖1A之磁阻感測器之磁阻感測器系統之實施例之方塊圖。圖4A中所示之磁阻感測器系統4包括磁阻感測器10、一放大器221、第一驅動帶71、 第二驅動帶72、一偵測電路150、一頻率產生器200、一分頻器210及用以產生彼此異相π/2個弧度之兩個正弦驅動電流之一產生器213。磁阻感測器10展示為下伏第一驅動帶71及第二驅動帶72之虛線框。磁阻感測器10係一磁性穿隧接面或一巨磁阻器。
偵測電路150包括一帶通濾波器220、一相位敏感偵測器230、一第一低通濾波器(LPF)222及一第二低通濾波器(LPF)223。週期性輸出電壓Vout經由放大器221自磁阻感測器10輸出至偵測電路150。帶通濾波器220輸出一感測電壓至相位敏感偵測器230。相位敏感偵測器230輸出指示第二諧波分量之量值及相位之資訊或等效地第二諧波之X分量及Y分量。因此，相位敏感偵測器230具有兩個輸出：與第二諧波之X分量成比例之一X輸出(Vx)；及與第二諧波之Y分量成比例之一Y輸出(Vy)。X輸出經由低通濾波器(LPF)222傳遞以產生與施加場Happlied之X分量成比例之一DC信號。Y輸出經由低通濾波器(LPF)223傳遞以產生與施加場Happlied之Y分量成比例之一DC信號。
如圖1A中所示，磁阻感測器10包括具有一可旋轉磁化定向之一鐵磁自由層60、具有一釘紮磁化定向(參考層磁化400)之一鐵磁參考層50及其之間的一障壁層55。上覆磁阻感測器10之第一驅動帶71經可操作地組態以攜載以一頻率f交變之一交變驅動電流idrive1(f)。上覆磁阻感測器10且正交上覆第一驅動帶71之第二驅動帶72經可操作地組態以攜載以一頻率f交變之一交變驅動電流idrive2(f+△Φ)。
如圖4A中所示，頻率產生器200產生以頻率2f交變之一參考信號並輸出該信號至分頻器210。頻率產生器200亦輸出以頻率2f交變之該信號至相位敏感偵測器230。分頻器210將以頻率2f交變之該信號分成兩半。
在分頻器210之輸出處，產生器213提供相對於彼此異相π/2個弧度之兩個驅動電流至各別驅動帶71及72。特定而言，產生器213輸出處於頻率f下之第一交變驅動電流idrive1(f)至第一驅動帶71並輸出相對於idrive1(f)異相π/2個弧度之一第二驅動電流idrive2(f)至第二驅動帶72。存在可用於施加處於頻率f下之相互正交交變驅動電流至第一驅動帶71及第二驅動帶72之其他技術，如熟習此項技術者可理解。在此實施例之一個實施方案中，非正交及非平行第一及第二帶上覆該磁阻感測器。在此案例中，藉助適當相位分離週期驅動信號來驅動施加至各別第一及第二帶之第一交變驅動電流及第二交變驅動電流，如熟習此項技術者在閱讀並理解本文件之後可理解。
在此實施例之一個實施方案中，產生器213同時作為第一交變驅動電流供應信號ix(f)=i1sin(ωt)至第一驅動帶71並作為第二交變驅動電流供應信號iy(f)=i2cos(ωt)至第二驅動帶72。在某些實施例中，i1=i2。為了便於觀察磁阻感測器10中之場，圖4A中未展示用以將磁阻感測器10連接至一電路(諸如分別如圖3A及3B中所示之電路90或91)之引線。
第一驅動電流idrive1(f)(其在圖1A中展示為標記為431之圓形雙箭頭)在第一驅動帶71中產生一第一磁性驅動場 Hdrive1(f)(其在圖1A中展示為標記為433之循環箭頭)。第二驅動電流idrive2(f+△Φ)(其在圖1A中展示為標記為432之雙箭頭)在第二驅動帶72中產生一第二磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)(其在圖1A中展示為標記為434之圓形雙箭頭)。第一磁性驅動場Hdriye1(f)433及第二磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)434皆延伸至自由層60中且彼此疊加以形成如在圖1A及4A中由標記為440之圓形箭頭所示沿X-Y平面旋轉之一週期性旋轉驅動場Hrotating。該「週期性旋轉驅動場440」亦稱作一「週期性旋轉驅動場440」。
如圖1A、4A及4B中所示，週期性旋轉驅動場Hrotating 440如沿負Z方向所觀察到逆時針地(CCW)旋轉，自由層磁化週期性地旋轉以平行於自由層60中之旋轉磁場。在此實施例之一個實施方案中，相位延遲+△Φ添加至施加至第一驅動帶71而不是第二驅動帶72之電流。在此案例中，週期性旋轉驅動場Hrotating 440如沿負Z方向所觀察到順時針地(CW)旋轉。
週期性旋轉驅動場Hrotating 440使磁阻感測器10之操作點位移超出1/f雜訊功率譜密度曲線之拐點以利用MTJ或GMR之高△R/R。因此，週期性旋轉驅動場Hrotating 440有利地准許磁阻感測器系統4達成高信雜比，抑或相反，降低最小可偵測場(mdf)。如本文中所定義，該磁阻感測器之操作點係磁阻感測器10之雜訊對頻率函數之關係曲線上之彼點，在此磁阻感測器10由週期性旋轉驅動場Hrotating 440驅動以操作。
磁阻感測器10(一磁性穿隧接面14或一巨磁阻器13)提供自由層之磁感應與電阻之間的一傳遞函數，以便可在偵測電路150中進行電壓量測。
特定而言，在一範圍之第一驅動電流idrive1(f)431及第二驅動電流idrive2(f+△Φ)432(具有高到足以使自由層60飽和，但低到足以使參考層50實質上不受影響之振幅)內，自由層磁化421沿360度(2π個弧度)週期性旋轉以創建磁阻感測器10之一週期性電阻變化。如圖4A中之磁性感測器10之俯視圖中所示，自由層磁化421'在一第一時間t1處與參考層磁化400成夾角θ1且在一時間t2處，自由層磁化421"與參考層磁化400成夾角θ2。當僅一週期驅動電流施加至磁阻感測器10，而不存在DC(或低頻)磁場Happlied 450時，磁阻感測器10之理想輸出僅包括頻率f之奇次諧波倍數。
一般而言，自由層60(自由層磁化421)之磁化動態取決於自由層60及磁阻感測器10之大小、縱橫比及其他材料性質(晶粒大小、缺陷密度、4πMs)。對於較大磁阻感測器10(尺寸>~1 μm)而言，在自一個飽和狀態切換至相反的飽和狀態期間之磁化動態涉及疇壁動態。疇壁介導切換通常涉及係巴克豪森雜訊之源之巴克豪森跳變。對於具有小於~1 μm之尺寸之磁阻感測器10而言，自由層60通常藉由成核及磁渦流傳播自一個飽和狀態切換至相反的飽和狀態。上文所述之大小相依性並不精確且自疇壁介導動態至渦流介導動態之轉變亦隨包含該感測器之磁阻材料之其他材料參數而變化。此等動態亦適用於磁化狀態之任何大的變化 且不僅限於自一個飽和狀態切換至另一飽和狀態。
當自由層60之磁化由週期性旋轉磁性驅動場Hrotating 440同調地旋轉時，巴克豪森雜訊降低。因此，藉由維持週期性旋轉磁場Hrotating 440來確保自由層磁化421之同調旋轉。藉由檢查磁阻感測器10之輸出波形之品質根據經驗測定週期性旋轉磁性驅動場Hrotating 440之量值。由於磁阻感測器10具有小尺寸，因而第一驅動帶71及第二驅動帶72可操作以產生處於適度電流及功率值下之週期性旋轉磁性驅動場Hrotating 440。
當欲量測之一外部磁場Happlied 450施加至磁阻感測器10時，欲量測之磁場Happlied 450疊加於沿磁阻感測器10之X-Y平面之週期性旋轉磁性驅動場Hrotating 440上。在此案例中，自由層60中之磁場等於週期性旋轉放置驅動場Hrotating 440與外部施加磁場450之疊加。由此疊加所產生之磁阻感測器10之輸出包括偶次諧波分量。最低位偶次諧波係處於頻率2f下之第二諧波分量。
偵測電路150提取磁阻感測器10之輸出電壓Vout之第二諧波分量。欲沿X-Y平面量測之磁場Happlied 450之量值(圖1B中所示之實例性案例中之| Happlied |)與輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之一量值成比例。欲沿X-Y平面量測之磁場Happlied 450之定向(圖1B中所示之實例性案例中之角Φ上)僅與輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之一相位角相關。
現在得出施加場Happlied 450與第二諧波之振幅及相位角 之間的此數學關係。首先，假定外部場h為零(例如，h=Happlied=0)。沿該感測器之平面以一頻率f施加一旋轉驅動場H D (例如，H D =Hrotating)。此驅動場之振幅係如此以致其不影響該參考層。亦假定自由層60之各向異性足夠小且驅動場H D 足夠大以致驅動場H D 使自由層磁化(在圖4A及4B中展示為421'及421")飽和，亦即，自由層磁化始終沿旋轉驅動場H D 之瞬時方向指向。
該驅動場由H D =H 0 exp(iω t)表示，其中ω=2πf。在上文所述之飽和假定之情況下，磁阻(MR)亦在頻率f下呈正弦。接下來，在有一正弦驅動場及一外部場h之情況下，自由層磁化現在沿總場向量H D (ω)+h之方向指向。沿自由層磁化之方向之一單位向量使用複數記法表示如下
平行於參考層磁化之單位向量k R 表示如下
平行於自由層磁化之單位向量為k M 。自由層磁化(亦即，瞬時自由層磁化421'或421")與參考層磁化(亦即，參考層磁化400)之間的角表示如下
其中k * R 為k R 之複共軛。磁阻之時間相依性由cosθ之時間相依性表示。
其中u=h/H 0 。以u之線性冪來擴展以上表示式，得出，
在呈(h/H 0 )之冪形式之線性近似值內，第二諧波之振幅與施加場h成比例，且第二諧波之相位等於(Φ+Φ R )。由於已知參考層相位角Φ R ，因而可演繹施加場之相位角。因此，在所提議之操作模式下，第二諧波分量提供施加場之振幅及方向。
此分析忽略了自由層各向異性H k 之作用。在該自由層之一非零各向異性之情況下，該磁化方向將不平行於該場之瞬時方向指向。然而，對於驅動場(H 0 >>H k )之足夠大的振幅而言，預期各向異性添加一校正項至上文所得出之公式。本文中所述之總方案仍起作用。
可如為熟習此項技術者所知將此振幅及相位轉換成正交分量(例如，X分量及Y分量)。對於一範圍之Happlied值(諸如Happlied<H0，其中H0為週期驅動場之振幅)，輸出電壓Vout之振幅與Happlied成比例。
當在該感測器之平面(例如，X-Y平面)中施加以一角頻率ωi旋轉之一週期性旋轉驅動場Hrotating 440時，自由層磁化沿週期性旋轉驅動場Hrotating 440之瞬時方向指向。週期性旋轉驅動場Hrotating 440之瞬時方向不影響參考層50。由於自由層60之各向異性足夠小且該驅動場足夠大(亦即， H 0 >>H k )，因而，該驅動場使自由層磁化飽和。
藉由以超過1/f雜訊曲線之拐點之一頻率f驅動磁阻感測器10，磁阻感測器10之信雜比高於該磁阻感測器在接近零頻率操作時之信雜比。處於一角頻率ω=2πf下之週期性旋轉驅動場Hrotating 440經設定以使得f=ω/2π大於1/f雜訊曲線之拐點。
頻率產生器200輸出不具有任何諧波分量之一光譜純驅動波形。若在第一驅動電流idrive1(f)431及/或第二驅動電流idrive2(f+△Φ)432中存在有偶次諧波分量，則輸出Vout甚至在沒有一施加場(亦即，一空值偏移)之情況下仍將具有偶次諧波分量。若一光譜純驅動波形未由頻率產生器200產生，則該偵測電路之輸出處之空值偏移將由使用者標定出。
圖4B中所示之磁阻感測器系統5包括圖4A之磁阻感測器系統4以及一回饋電路160之組件。在此磁阻感測器系統5中，第一驅動帶71及第二驅動帶721用於在一閉環模式下操作磁阻感測器10。
回饋電路160包括一X分量放大器233、一X分量積分器237、一Y分量放大器234及一Y分量積分器238。X輸出(Vx)與作為信號330自低通濾波器222輸出之第二諧波之振幅之X分量成比例。信號330輸入至X分量放大器233。來自X分量放大器233之輸出輸入至積分器237。同時，Y輸出(Vy)與作為信號331自低通濾波器223輸出之第二諧波之Y分量成比例。信號331輸入至Y分量放大器234。來自Y分 量放大器234之輸出輸入至積分器238。信號330與Happlied 450之X分量成比例且信號331與Happlied 450之Y分量成比例。
回饋電路160接受來自偵測電路150之輸入信號330及331並輸出第一空值電流Inulling1 415至第一驅動帶71並輸出第二空值電流Inulling2 416至第二驅動帶72。第一驅動帶71及第二驅動帶72皆上覆磁阻感測器10以便產生正被偵測之磁場(Happlied)450之分別與Y分量及X分量相反之一第一空值磁場Hnull1 425及一第二空值磁場Hnull2 426。
可藉由量測跨一第一穩定串聯電阻器R1之電壓降V1來量測第一空值電流Inulling1 415。第一空值電流415或跨串聯電阻器R1之相應電壓降V1與施加磁場Happlied 450之Y分量成比例。電阻器R1係一固定、溫度穩定電阻器。
可藉由量測跨一第二穩定串聯電阻器R2之電壓降V2來量測第二空值電流Inulling2 416。第二空值電流Inulling2 416或跨串聯電阻器R2之相應電壓降V2與施加磁場Happlied 450之X分量成比例。電阻器R2係一固定、溫度穩定電阻器。
因此，放大分別為第二諧波信號330及331之X分量及Y分量經放大、求其積分並將其用作回饋電流(亦即，第二空值電流Inulling2 416及第一空值電流Inulling1 415)以抵消外部施加磁場Happlied 450之X分量及Y分量。假定施加磁場Happlied 450之時標與週期性旋轉驅動場Hrotating 440之時標充分分離，亦即，施加磁場Happlied 450為低頻的或接近DC的。
以此方式，自由層60之僅有的磁化偏離係由週期性旋轉磁性驅動場Hdrive(f)440所引起之彼等磁化偏離。當磁阻感測器10感測一範圍之施加場時不存在自由層60之磁化狀態之DC偏移，此乃因沿X-Y平面之任何施加磁場Happlied 450皆藉由第一空值磁場Hnull1 425與第二空值磁場Hnull2 426之疊加而變為空值。此回饋減少巴克豪森雜訊從而進一步改良磁阻感測器10之信雜比，且亦增加磁阻感測器10之場動態範圍。
如圖4A及4B中所示，磁阻感測器10沿X-Y平面具有一矩形輪廓。在此實施例之另一實施方案中，該磁阻感測器沿X-Y平面具有一圓形輪廓。
圖5A及圖5B展示根據本發明施加至一實例性磁阻感測器之不同施加磁場之模擬輸出。在圖5A及圖5B之曲線圖中之32個時間單位之一週期處之一旋轉驅動場H0=10 Oe係隱性的且未展示。
圖5A展示等於2 Oe之Happlied之模擬輸出。波形495係當Happlied=0 Oe時Vout之一曲線圖。波形494係當在一相位角Φ=45度(圖1B)之情況下Happlied=2 Oe時Vout之一曲線圖。波形493係當在一相位角Φ=120度(圖1B)之情況下Happlied=2 Oe時Vout之一曲線圖。差波形490繪製波形494與波形495之間的差。差波形491繪製波形493與波形495之間的差。差波形490及491僅含有偶次諧波，前導傅立葉分量係第二諧波。
圖5B展示等於4 Oe之Happlied之模擬輸出。波形465係當 Happlied=0 Oe時Vout之一曲線圖。波形464係當在一相位角Φ=45度(圖1B)之情況下Happlied=4 Oe時Vout之一曲線圖。波形463係當在一相位角Φ=120度(圖1B)之情況下Happlied=4 Oe時Vout之一曲線圖。差波形460繪製波形464與波形465之間的差。差波形461繪製波形463與波形465之間的差。差波形460及461僅含有偶次諧波，前導傅立葉分量係第二諧波。因此，圖5A及圖5B清楚地展示輸出差波形如何基於Happlied之振幅及相位角而改變。
圖6係根據本發明包括一磁阻感測器11之一磁阻感測器系統6之一實施例之一方塊圖。如圖6中所示，磁阻感測器11沿X-Y平面具有一圓形輪廓。在此實施例之另一實施方案中，該磁阻感測器在形狀上呈矩形。磁阻感測器系統6之功能相同於上文參照圖4A及4B所述之磁阻感測器系統4及5之功能。磁阻感測器系統6包括一磁阻感測器11、一第一驅動帶71、上覆第一驅動帶71及磁阻感測器11之第二驅動帶72。磁阻感測器系統6亦包括一頻率產生器200及一偵測電路151。磁阻感測器系統6之結構與圖4A及4B之磁阻感測器系統4及5的不同之處在於偵測電路151包括一數位處理器250而不是偵測電路150之帶通濾波器220、相位敏感偵測器230及低通濾波器222。
數位處理器250接收來自磁阻感測器11之一輸出電壓Vout，提取該輸出電壓Vout之一第二諧波分量並輸出兩個信號：與第二諧波之振幅之X分量成比例之一X輸出(Vx)；及與第二諧波之Y分量成比例之一Y輸出(Vy)。因此，數位 處理器250之功能相同於偵測電路150(圖4A及4B)之功能。
圖7展示驅動電流之定製形狀之實施例。藉由定製分別施加至第一及第二驅動帶71及72之第一及第二交變驅動電流之形狀，如為熟習此項技術者所知增加所提取第二諧波分量之振幅。
第一及第二交變驅動電流之兩個實例性集合651及652展示於圖7中。為了便於觀察，使交變驅動電流701及702之第一集合651與交變驅動電流751及752之第二集合652偏移。
第一及第二交變驅動電流之第一集合651包括隨著時間具有一第一鋸齒形狀之一第一交變驅動電流701及隨著時間具有一第二鋸齒形狀之一第二交變驅動電流702。第一交變驅動電流701展示為疊加於第二交變驅動電流702上。π/2(90度)相移指示於第一交變驅動電流701之峰值與第二交變驅動電流702之峰值之間。實例性第一交變驅動電流701施加至第一帶71。實例性第二交變驅動電流702施加至第二帶71。
第一及第二交變驅動電流之第二集合652包括隨著時間具有一第一鋸齒形狀之一第一交變驅動電流751及隨著時間具有一正弦形狀之一第二交變驅動電流752。第一交變驅動電流751展示為疊加於第二交變驅動電流752上。π/2(90度)相移指示於第一交變驅動電流751之峰值與第二交變驅動電流752之峰值之間。實例性第一交變驅動電流751施加至第一帶71。實例性第二交變驅動電流752施加至第二 帶71。如所理解，此等形狀係實例性形狀且可使用電流對時間之關係曲線之其他形狀。
圖8係根據本發明用以沿一平面量測一施加磁場Happlied之一方法800之一項實施例之一流程圖。方法800適用於上文分別參照圖4A、4B及6所述之磁阻感測器系統4、5及6之實施例。
在方塊802處，施加一第一交變驅動電流idrive1(f)431至上覆一磁阻感測器(MS)10之一第一帶71。藉由交變電流Hdrive1(f)在磁阻感測器10中產生一第一交變磁性驅動場Hdrive1(f)433。如圖4A中所示，第一交變磁性驅動場Hdrive1(f)433平行於處於該磁阻感測器(MS)之X-Y平面中之Y軸振盪。
第一交變驅動電流idrive1(f)431使磁阻感測器10之操作點位移至一低雜訊區。該低雜訊區高於1/f雜訊譜中之拐點。在此實施例之一個實施方案中，施加第一交變驅動電流idrive1(f)431至上覆一磁性穿隧接面14(圖2A)之一第一驅動帶71，以使磁性穿隧接面14之操作點位移至該低雜訊區。在此實施例之另一實施方案中，施加第一交變驅動電流idrive1(f)431至上覆磁阻器13(圖2B)之第一驅動帶71以使巨磁阻器13之操作點位移至該低雜訊區。
在此實施例之一個實施方案中，按下述方式施加交變驅動電流idrive1(f)431至一第一驅動帶71：自一頻率產生器200輸出處於一初始頻率2f下之一信號至一分頻器210；將處於該初始頻率2f下之該信號頻分成兩半以產生處於一驅 動頻率f下之信號；並轉而使用處於該驅動頻率f下之該信號以在一產生器213處產生至第一驅動帶71之一輸入。第一交變驅動電流idrive1(f)431正以該驅動頻率f交變。該驅動頻率f係該初始頻率2f的一半。
在方塊804處，在施加第一交變驅動電流至一第一驅動帶71的同時施加一第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432至上覆一磁阻感測器(MS)10之一第二驅動帶72。將第二驅動帶72定向成與第一驅動帶71成一夾角(亦即，不平行)。在此實施例之一個實施方案中，將第二驅動帶72定向成垂直於第一驅動帶71。特定而言，第一驅動帶71具有沿一第一方向延伸之一尺寸且第二驅動帶72具有沿一第二方向延伸之一尺寸，第二方向垂直於第一方向。施加第一交變驅動電流idrive1(f)431以沿第一方向流動，同時施加第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432以沿第二方向流動。
藉由交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432在磁阻感測器10中產生一第二交變磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)。
若第二驅動帶72至第一驅動帶71定向成不同於0度及90度之某一夾角時，則視需要設定△Φ以在磁阻感測器10或11中產生沿該平面旋轉之一週期性旋轉磁性驅動場。若第二驅動帶72定向成垂直於第一驅動帶71，則設定△Φ等於π/2個弧度。如圖4A中所示，第二交變磁性驅動場Hdrive2(f)平行於處於該磁阻感測器(MS)之X-Y平面中之X軸振盪。
第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432使磁阻感測器10之操作點位移至一低雜訊區。在此實施例之一個實施方案中， 施加第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432至上覆一磁性穿隧接面14(圖2A)之第二驅動帶72以使磁性穿隧接面14之操作點位移至該低雜訊區。在此實施例之另一實施方案中，施加第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432至上覆一巨磁阻器13(圖2B)之第二驅動帶72以使巨磁阻器13之操作點位移至該低雜訊區。
按下述方式施加第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432至一第二驅動帶72：自一頻率產生器200輸出處於一初始頻率2f下之信號至一分頻器210；將處於該初始頻率2f下之該信號頻分成兩半以產生處於一驅動頻率f下之信號；並轉而使用處於該驅動頻率f下之該信號以在一產生器213處產生至第一驅動帶71之一輸入。特定而言，使以該驅動頻率f施加至驅動帶72之第二信號與在產生器213處施加至第一帶71之電流相位延遲(或超前)△Φ。第二交變驅動電流idrive2(f+△Φ)432正以該驅動頻率f交變。
如圖1B中所示，沿磁阻感測器10之X-Y平面旋轉之週期性旋轉驅動場HD=H0eiwt(在數字上標記為440)係藉由第一交變磁性驅動場Hdrive1(f)433(圖1A及4A)與第二交變磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)434(圖1A及4A)之疊加而產生。特定而言，第一交變磁性驅動場Hdrive1(f)433沿著y軸振盪且第二交變磁性驅動場Hdrive2(f+△Φ)434同時沿著X軸振盪產生展示為以Z軸為中心沿逆時針方向旋轉之週期性旋轉驅動場Hrotating 440。
在方塊806處，自磁阻(MR)感測器10提取磁阻感測器10 之一輸出之一第二諧波分量。第二諧波分量只有在欲量測之一磁場Happlied 450疊加於正沿磁阻感測器10之自由層60之X-Y平面旋轉之週期性旋轉磁性驅動場Hrotating 440上時才產生。
在此實施例之一個實施方案中，按下述方式提取磁阻感測器11(圖6)之輸出之第二諧波分量：自磁阻感測器11輸出一輸出電壓Vout至一數位處理器250；在數位處理器250處傅立葉分解該輸出電壓；自頻率產生器200輸入處於該初始頻率下之一參考信號460至數位處理器250；並提取處於該初始頻率(2f)下之該經傅立葉分解輸出電壓之第二諧波分量。圖6中所示之磁阻感測器系統6經組態以以此方式提取磁阻感測器11之輸出之第二諧波分量。
在此實施例之另一實施方案中，按下述方式提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量：在一帶通濾波器220處對來自該磁阻感測器之一輸出電壓進行濾波；輸入帶通濾波器220之一輸出(感測電壓)至一相位敏感偵測器230；自頻率產生器200輸入處於該初始頻率2f下之一參考信號至相位敏感偵測器230；並在相位敏感偵測器230處提取該經濾波輸出電壓之第二諧波分量。圖4A及4B中所示之磁阻感測器系統4及5經組態以以此方式提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量。
在方塊808處，自該偵測電路輸出指示輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之X投影之一信號。欲沿自由層60之X-Y平面量測之磁場Happlied 450之X分量與輸出電壓Vout之所 提取第二諧波分量之X投影成比例。
在此實施例之一個實施方案中，如圖4A及4B中所示自相位敏感偵測器230輸出輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之X投影。在此實施例之另一實施方案中，如圖6中所示自數位處理器250輸出輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之X投影。
在方塊810處，自該偵測電路輸出指示輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之Y投影之一信號。欲沿自由層60之X-Y平面量測之磁場Happlied 450之Y分量與輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之Y投影成比例。
在此實施例之一個實施方案中，如圖4A及4B中所示自相位敏感偵測器230輸出輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之一Y投影。在此實施例之一個實施方案中，如圖6中所示自數位處理器250輸出指示輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之Y投影之信號。
應理解，在方塊808及810期間自偵測電路150輸出之信號可係：包括指示在該平面之一第一方向情況下所提取第二諧波分量之投影之資訊之一第一信號；及指示在該平面之一第二方向情況下所提取第二諧波分量之投影之資訊之一第二信號，其中第二方向正交於第一方向，且其中相位角資訊用於提供沿每一方向之正確投影。
方塊812係選用的。在方塊812處，施加一第一空值電流Inulling1 415至第一驅動帶71以在磁阻感測器10中產生一第一空值磁場Hnull1 425並施加一第二空值電流Inulling2 416至
第二驅動帶72以在磁阻感測器10中產生一第二空值磁場Hnull2 426(參見圖4B)。第一空值磁場Hnull1 425與欲量測之磁場Happlied 450之一第一分量(例如，Y分量)平行且相反。第二空值磁場Hnull2 426與欲量測之磁場Happlied 450之一第二分量(例如，X分量)平行且相反。第一及第二空值磁場Hnull(1-2)425及426合起來減少巴克豪森雜訊並增加該感測器之動態範圍。
在此實施例之一個實施方案中，施加第一及第二空值電流415及416至各別第一及第二驅動帶71及72以按下述方式在磁阻感測器10中產生各別第一及第二空值磁場425及426：分別藉由放大器233及234將處於該初始頻率下之第二諧波信號投影至X分量及Y分量上；求經放大第二諧波信號330及331之積分以產生分別與所提取第二諧波分量之分量(例如，X分量及Y分量)成比例之第二空值電流Inulling2 416及第一空值電流Inulling1 415。特定而言，自積分器238輸入第一空值電流Inulling1 415至第一驅動帶71；自積分器237輸入第二空值電流Inulling2 416至第二驅動帶72。以此方式，在磁阻感測器10中產生與欲量測之磁場Happlied 450相反之第一及第二空值磁場425及426。方塊814係選用的且僅在實施方塊812之情況下出現。在方塊814處，跨各別第二及第一空值電流穿過其之固定、溫度穩定電阻器R2及R1量測電壓V2及V1以測定施加場之各別X分量及Y分量。
實例性實施例
實例1包括一種用以沿一平面量測一施加磁場之方法， 該方法包含：施加一第一交變驅動電流至一第一帶，其中該第一帶之至少一部分上覆一磁阻感測器，該第一帶具有沿一第一方向延伸之一尺寸；同時施加一第二交變驅動電流至一第二帶，其中該第二帶之至少一部分上覆該第一帶之該至少一部分，該第二帶具有沿一第二方向延伸之一尺寸，該第二方向不平行於該第一方向，且該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相，其中該磁阻感測器經受沿該磁阻感測器中之該平面旋轉之一週期性旋轉磁性驅動場；及當欲量測之該施加磁場疊加於沿該平面旋轉之該週期性旋轉磁性驅動場上時，提取自該磁阻感測器輸出之一輸出電壓之一第二諧波分量，其中欲沿該平面量測之該施加磁場之量值與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一量值成比例，且其中欲沿該平面量測之該施加磁場之定向與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。
實例2包括實例1之方法，該方法進一步包含：輸出指示該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之該X投影之一信號；及輸出指示該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之該Y投影之一信號。
實例3包括實例1至2中之任一者之方法，其中提取自該磁阻感測器輸出之該輸出電壓之該第二諧波分量包含：自該磁阻感測器輸出該輸出電壓至一數位處理器；在該數位處理器處傅立葉分解該輸出電壓；自一頻率產生器輸入處於該初始頻率下之一參考信號至該數位處理器；及提取處 於該初始頻率下之該經傅立葉分解輸出電壓之該第二諧波分量。
實例4包括如實例1至3中之任一者之方法，其中提取自該磁阻感測器輸出之該輸出電壓之該第二諧波分量包含：輸入該帶通濾波器之一輸出至一相位敏感偵測器；自一頻率產生器輸入處於該初始頻率下之一參考信號至該相位敏感偵測器；及在該相位敏感偵測器處提取該經濾波輸出電壓之該第二諧波分量。
實例5包括實例1至4中之任一者之方法，該方法進一步包含：施加一第一空值電流至該第一帶以在該磁阻感測器中產生一第一空值磁場，該第一空值磁場與欲量測之該施加磁場之一第一分量平行且相反；及施加一第二空值電流至該第二帶以在該磁阻感測器中產生一第二空值磁場，該第二空值磁場與欲量測之該施加磁場之一第二分量平行且相反。
實例6包括實例1至5中之任一者之方法，該方法進一步包含：自一頻率產生器輸出處於一初始頻率下之一信號至一分頻器；頻分處於該初始頻率下之該信號以產生處於一驅動頻率下之一信號，該驅動頻率係該初始頻率的一半，其中施加該第一交變電流至該第一帶包含：輸入處於該第一交變驅動頻率下之該信號至該第一帶，其中該第一交變驅動電流正以該驅動頻率交變，且其中施加該第二交變電流至該第二帶包含：輸入處於該第二交變驅動頻率下之該信號至該第二帶，其中該第二交變驅動電流正以該驅動頻 率交變。
圖7包括實例1至6中之任一者之方法，該方法進一步包含：定製施加至該第一帶之該第一交變驅動電流之一形狀並定製施加至該第二帶之該第二交變驅動電流之一形狀。
實例8包括實例1至7中之任一者之方法，其中施加該第一交變驅動電流至上覆該磁阻感測器之該第一帶並同時施加該第二交變驅動電流至上覆該第一帶之該第二帶包含以下各項中之一項：施加該第一交變驅動電流至上覆一磁性穿隧接面之該第一帶並同時施加該第二交變驅動電流至上覆該第一帶之該第二帶；或施加該第一交變驅動電流至上覆一巨磁阻感測器之該第一帶，並同時施加該第二交變驅動電流至上覆該第一帶之該第二帶。
實例9包括一種用以沿一平面量測一磁場之一定向及一量值之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統包含：一磁阻感測器，其包含具有一可旋轉磁化定向之一鐵磁自由層、具有一釘紮磁化定向之一鐵磁參考層及其之間的一障壁層；一第一帶，其上覆該磁阻感測器以攜載一第一交變驅動電流；一第二帶，其上覆該磁阻感測器以攜載一第二交變驅動電流，該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相，其中該第二帶上覆該第一帶之一部分，且其中該磁阻感測器經受沿該平面旋轉之一週期性旋轉驅動場。
實例10包括實例9之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統進一步包含：一偵測電路，其用以接收自該磁阻感測器 輸出之一輸出電壓並提取該輸出電壓之一第二諧波分量，其中欲量測之該磁場之該量值與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一量值成比例，且其中欲量測之該磁場之該定向僅與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。
實例11包括實例10之磁阻感測器系統，其中該偵測電路包含：一帶通濾波器，其用以作為輸入接受正自該磁阻感測器輸出之該輸出電壓；及一相位敏感偵測器，其用以作為輸入接受來自該帶通濾波器之一感測電壓並作為輸入接受來自一頻率產生器之一參考信號。
實例12包括實例9至11中之任一者之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統進一步包含：一回饋電路，其用以提供一第一空值電流至該第一帶並提供一第二空值電流至該第二帶。
實例13包括實例10至12中之任一者之磁阻感測器系統，其中該偵測電路包含：一數位處理器，其用以提取該經傅立葉分解輸出電路之該第二諧波分量並輸出指示該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之該X投影之一信號及指示該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之該Y投影之一信號。
實例14包括實例9至13中之任一者之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統進一步包含：一絕緣層，其定位於該鐵磁自由層與該上覆驅動場帶之間。
實例15包括實例9至14中之任一者之磁阻感測器系統，其中該磁阻感測器係一巨磁阻器。
實例16包括實例9至15中之任一者之磁阻感測器系統，其中該磁阻感測器係一磁性穿隧接面。
實例17包括實例9至16中之任一者之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統進一步包含：一頻率產生器，其用以供應該第一交變驅動電流至該第一帶並供應該第二交變驅動電流至該第二帶，其中該磁阻感測器、該第一帶、該第二帶及該頻率產生器整合於一矽基板上。
實例18包括實例9至17中之任一者之磁阻感測器系統，其中該磁阻感測器、該第一帶及該第二帶整合於一矽基板上。
實例19包括實例9至18中之任一者之磁阻感測器系統，其中該第一帶具有沿一第一方向延伸之一尺寸，該第二帶具有沿一第二方向延伸之一尺寸，該第二方向垂直於該第一方向，且其中該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相九十度。
實例20包括一種用以偵測一磁場之磁阻感測器系統，該磁阻感測器系統包含：一磁阻感測器，其包含具有一可旋轉磁化定向之一鐵磁自由層、具有一釘紮磁化定向之一鐵磁參考層及其之間的一障壁層；一第一驅動帶，其用以攜載處於一驅動頻率下之一第一交變電流，其中該第一帶之至少一部分上覆一磁阻感測器，該第一帶具有沿一第一方向延伸之一尺寸；一第二驅動帶，其用以攜載處於該驅動頻率下之一第二交變驅動電流，其中該第二帶之至少一部分上覆該第一帶之該至少一部分，該第二帶具有沿一第二 方向延伸之一尺寸，該第二方向不平行於該第一方向；一產生器，其用以供應該第一交變驅動電流至該第一驅動帶並供應該第二交變驅動電流至該第二驅動帶；一偵測電路，其可操作以：輸入來自該磁阻感測器之一輸出電壓，輸入處於係該等第一及第二驅動交變驅動電流之頻率的兩倍之一初始頻率下之一參考信號，輸出指示該輸出電壓之一第二諧波分量之一X投影之一信號，並輸出指示該輸出電壓之該第二諧波分量之一Y投影之一信號；一第一放大器，其用以放大指示該輸出電壓之該第二諧波分量之該Y投影之該信號；一第一積分器，其用以求指示該輸出電壓之該第二諧波分量之該Y投影之該經放大信號的積分並輸出一第一空值電流至該第一帶；一第一串聯電阻器，其位於該第一積分器之輸出處，其中該第一串聯電阻器之一電壓降與一施加磁場之Y分量成比例；一第二放大器，其用以放大指示該輸出電壓之該第二諧波分量之該X投影之該信號；一第二積分器，其用以求指示該輸出電壓之該第二諧波分量之該Y投影之該經放大信號的積分並輸出一第一空值電流至該第一驅動帶；及一第二串聯電阻器，其位於該第二積分器之輸出處，其中跨該第二串聯電阻器之一電壓降與一施加磁場之X分量成比例。
已闡述由隨附申請專利範圍定義之本發明之若干實施例。然而，應瞭解，可在不背離提出專利申請的本發明之精神及範疇之前提下作出對所述實施例之各種修改。因此，其他實施例亦歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內。
4‧‧‧磁阻感測器系統
5‧‧‧磁阻感測器系統
6‧‧‧磁阻感測器系統
10‧‧‧磁阻感測器
11‧‧‧合成反鐵磁體
13‧‧‧巨磁阻器
14‧‧‧磁性穿隧接面
20‧‧‧反鐵磁體
22‧‧‧晶種層
25‧‧‧矽基板
26‧‧‧絕緣體
27‧‧‧底部引線/電觸點
28‧‧‧頂部引線/電觸點
30‧‧‧鐵磁釘紮層
40‧‧‧釕層
50‧‧‧參考層
55‧‧‧障壁層/障壁
56‧‧‧氧化物障壁層
57‧‧‧非磁性導電層/銅(Cu)層
60‧‧‧自由層/帽蓋層
61‧‧‧非磁性帽蓋層
65‧‧‧第一帶之至少一部分
66‧‧‧第二帶之至少一部分
70‧‧‧絕緣體層
71‧‧‧第一驅動帶/第一帶
72‧‧‧第二驅動帶/第二帶
73‧‧‧絕緣體層
90‧‧‧電路
91‧‧‧電路
128‧‧‧電觸點
129‧‧‧電觸點
150‧‧‧偵測電路
151‧‧‧偵測電路
160‧‧‧回饋電路
200‧‧‧頻率產生器
210‧‧‧分頻器
213‧‧‧產生器
220‧‧‧帶通濾波器
221‧‧‧放大器
222‧‧‧第一低通濾波器
223‧‧‧第二低通濾波器
230‧‧‧相位敏感偵測器
233‧‧‧X分量放大器
234‧‧‧Y分量放大器
237‧‧‧積分器
238‧‧‧積分器
250‧‧‧數位處理器
330‧‧‧信號
331‧‧‧信號
400‧‧‧參考層磁化
405‧‧‧釘紮層磁化
415‧‧‧第一空值電流
416‧‧‧第二空值電流
421'‧‧‧自由層磁化
421"‧‧‧自由層磁化
425‧‧‧第一空值磁場
426‧‧‧第二空值磁場
431‧‧‧第一驅動電流
432‧‧‧第二驅動電流
433‧‧‧第一磁性驅動場/第一交變磁性驅動場/交變電流
434‧‧‧第二磁性驅動場/第二交變磁性驅動場
440‧‧‧週期性旋轉驅動場/週期性旋轉磁性驅動場
450‧‧‧外部磁場/外部施加磁場/欲量測之磁場
460‧‧‧參考信號/差波形
461‧‧‧差波形
463‧‧‧波形
464‧‧‧波形
465‧‧‧波形
490‧‧‧差波形
491‧‧‧差波形
493‧‧‧波形
494‧‧‧波形
495‧‧‧波形
651‧‧‧第一及第二交變驅動電流之第一集合
652‧‧‧第一及第二交變驅動電流之第二集合
701‧‧‧第一交變驅動電流
702‧‧‧第二交變驅動電流
751‧‧‧第一交變驅動電流
752‧‧‧第二交變驅動電流
R1‧‧‧第一穩定串聯電阻器
R2‧‧‧第二穩定串聯電阻器
V1‧‧‧電壓降
V2‧‧‧電壓降
Vout‧‧‧輸出電壓
Vx‧‧‧X輸出
Vy‧‧‧Y輸出
圖1A係根據本發明之一多層磁阻感測器、一第一驅動帶及一第二驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖1B展示沿圖1A之磁阻感測器之X-Y平面以一角頻率週期性旋轉之磁性驅動場；圖2A係根據本發明之一磁性穿隧接面、若干電觸點、一第一驅動帶及一第二驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖2B係根據本發明之一巨磁阻器、若干電觸點、一第一驅動帶及一第二驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖3A係根據本發明用以量測圖2A之磁性穿隧接面之輸出電壓之一電路之一項實施例之一方塊圖；圖3B係根據本發明用以量測圖2B之巨磁阻器之輸出電壓之一電路之一項實施例之一方塊圖；圖4A及4B係根據本發明包括圖1A之磁阻感測器之磁阻感測器系統之實施例之方塊圖；圖5A及圖5B展示根據本發明施加至一實例性磁阻感測器之不同施加磁場之模擬輸出；圖6係根據本發明包括一磁阻感測器之一磁阻感測器系統之一實施例之一方塊圖；圖7展示驅動電流之經定製形狀之實施例；及圖8係根據本發明用以沿一平面量測一施加磁場之一方法之一項實施例之一流程圖。
4‧‧‧磁阻感測器系統
10‧‧‧磁阻感測器
25‧‧‧矽基板
65‧‧‧第一帶之至少一部分
66‧‧‧第二帶之至少一部分
71‧‧‧第一帶
72‧‧‧第二帶
150‧‧‧偵測電路
200‧‧‧頻率產生器
210‧‧‧分頻器
213‧‧‧產生器
220‧‧‧帶通濾波器
221‧‧‧放大器
222‧‧‧第一低通濾波器
223‧‧‧第二低通濾波器
230‧‧‧相位敏感偵測器
400‧‧‧參考層磁化
421'‧‧‧自由層磁化
421"‧‧‧自由層磁化
431‧‧‧第一驅動電流
432‧‧‧第二驅動電流
433‧‧‧第一磁性驅動場/第一交變磁性驅動場/交變電流
434‧‧‧第二磁性驅動場/第二交變磁性驅動場
440‧‧‧週期性旋轉驅動場/週期性旋轉磁性驅動場
450‧‧‧外部磁場/外部施加磁場/欲量測之磁場
Vout‧‧‧輸出電壓
Vx‧‧‧X輸出
Vy‧‧‧Y輸出

Claims (3)

  1. 一種用以沿一平面(X-Y)量測一施加磁場(450)之方法，該方法包含：施加一第一交變驅動電流(431)至一第一帶(71)，其中該第一帶之至少一部分(65)上覆一磁阻感測器(10)，該第一帶具有沿一第一方向(X)延伸之一尺寸；同時施加一第二交變驅動電流(432)至一第二帶(72)，其中該第二帶之至少一部分(66)上覆該第一帶之該至少一部分，該第二帶具有沿一第二方向(Y)延伸之一尺寸，該第二方向不平行於該第一方向，且該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相，其中該磁阻感測器經受沿該磁阻感測器中之該平面旋轉之一週期性旋轉磁性驅動場(440)；及當欲量測之該施加磁場疊加於沿該平面旋轉之該週期性旋轉磁性驅動場上時，提取自該磁阻感測器輸出之一輸出電壓(Vout)之一第二諧波分量，其中欲沿該平面量測之該施加磁場之量值與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一振幅(| Happlied |)成比例，且其中欲沿該平面量測之該施加磁場之定向(Φ)與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含：輸出指示該輸出電壓(Vout)之該所提取第二諧波分量之X投影之一信號(330)；及輸出指示該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之Y投 影之一信號(331)。
  3. 一種用以沿一平面(X-Y)量測一磁場(450)之一定向(Φ)及一量值(| Happlied |)之磁阻感測器系統(4)，該磁阻感測器系統包含：一磁阻感測器(10)，其包含具有一可旋轉磁化定向之一鐵磁自由層(60)、具有一釘紮磁化定向之一鐵磁參考層(50)及其之間的一障壁層(40)；一第一帶(71)，其上覆該磁阻感測器以攜載一第一交變驅動電流(431)；一第二帶(72)，其上覆該磁阻感測器以攜載一第二交變驅動電流(432)，該第二交變驅動電流相對於該第一交變驅動電流異相，其中該第二帶上覆該第一帶之一部分(66)，且其中該磁阻感測器經受沿該平面旋轉之一週期性旋轉驅動場(440)；及一偵測電路(150)，其用以接收自該磁阻感測器(10)輸出之一輸出電壓(Vout)並提取該輸出電壓之一第二諧波分量，其中欲量測之該磁場(450)之該量值(| Happlied |)與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一振幅成比例，且其中欲量測之該磁場之定向僅與該輸出電壓之該所提取第二諧波分量之一相位角相關。
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