TWI487928B - 磁場感測元件 - Google Patents
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Description
本發明大體上係關於一種磁場感測元件，且更特定言之本發明係關於一種可準確感測小磁場之磁穿隧接面元件。
感測器廣泛用於現代系統中以量測或偵測物理參數，諸如位置、運動、力、加速度、溫度、壓力等等。雖然存在各種不同感測器類型用於量測此等及其他參數，但該等感測器均經受各種限制。舉例而言，廉價低場感測器，諸如用於一電子羅盤及其他類似感測應用之此等感測器，大體上包括基於異向性磁阻(AMR)元件。為了達到與CMOS良好喫合之所需靈敏度及合理電阻，此等感測器之感測單元在尺寸上大體上係平方毫米級。此外，通常需要來自大約10 mA之龐大線圈之大重設脈衝。對於行動應用，此等AMR感測器組態在費用、電路區域、及電力損耗方面為昂貴。
其他類型感測器，諸如磁穿隧接面(MJT)感測器及巨磁阻(GMR)感測器已用以提供較小輪廓感測器，但此等感測器具有其等自有問題，諸如不足的靈敏度並受溫度變化影響。為解決此等問題，MTJ、GMR及AMR感測器已被用於一惠斯登橋接器(Wheatstone bridge)結構中以增加靈敏度及消除溫度相依之電阻變化。對於最小感測器尺寸及成本，MTJ或GMR元件係較佳。
由於製造製程變動，此等基於惠斯登橋接器低場磁感測器可展現一小仍可變殘餘偏移。溫度轉移、機械應力、及元件之老化可加劇此偏移。此外，習知磁感測器具有由諸如感測層厚度、形狀、及通量集中器幾何之因素內建於該元件的一靈敏度，藉此限制有效範圍及線性範圍。
據此，希望提供一種提供低場測量之解析度之廉價低場感測器係相容於CMOS、最小化偏移且擴展動態範圍。此外，由本發明及隨附申請專利範圍連同隨附圖式及此先前技術取得之隨後詳細描述將顯而易見本發明之其他可取特徵及特性。
一種用於測定一磁場之強度之磁場感測元件，其包含至少一感測元件，該感測元件包含一鐵磁感測層並具有至少一感測元件輸出終端。至少一電流線係經安置在該至少一感測元件附近。一電流源供應一可變電流至該至少一電流線以調整該感測器之靈敏度且量測電路係耦合至一感測元件輸出終端以用於量測該可變電流之輸出並測定該磁場之強度。
該磁場感測元件之另一實施例包含經組態為一惠斯登橋接器的四個磁穿隧接面元件。一電流源係耦合至經安置在該四個磁穿隧接面元件之每一者附近的一電流線以用於選擇性地供應暫時隔開的第一電流及第二電流。耦合至橋接器輸出信號的取樣電路取樣在該第一電流及該第二電流之每一者處之橋接器信號並從第一樣本與第二樣本之差異測定該磁場之值。一種用於感測該磁場之方法包含：供應一第一電流至該電流線；供應一第二電流至該電流線；在橋接器輸出處取樣在該第一電流及該第二電流之每一者之值；測定在該第一電流及該第二電流期間之該輸出之取樣之間之差異；及基於該經測定的差異測定一經量測磁場。
下文中將連同下列圖式描述本發明，其中相似元件符號指示相似元件。
本發明之下文詳細描述本質上僅為例示性且並非意欲限制本發明或本發明之應用及用途。此外，不存在由本發明之先前技術或本發明之下文詳細描述中出現的任何理論限制之意圖。
小佔據面積磁感測器通常係經佈置為一惠斯登橋接器組態，其中對於該橋接器必須保持在電路元件之電阻之間之一精確平衡，以在一零磁場中產生一最小回應。自製造製程出現之任何非零回應(橋接器偏移)必須被校準或歸零(null out)，以產生無錯誤之信號。此等偏移回應於溫度變化、機械應力、或其他結果可在該部分之整個壽命中轉移。在1.0 mV/V/Oe至5.0 mV/V/Oe之一典型場回應下之一羅盤應用中，保持小於一度之一精度暗示在小於10μV之偏移中之轉移必須被移除或校準而免於該錯誤信號。此如本文所述係由一載流線(current carrying line)實現，該載流線極接近或連續地安置至惠斯登橋接器之四個鐵磁穿隧接面感測元件之每一者。調整穿過此載流線之可變穩定電流而改變該感測器對一外部磁場之回應。該感測器輸出係在穩定電流之兩個不同暫時隔開值處取樣且此二值互相相減，以減少或消除由感測元件電阻不平衡而出現之偏移及1/f雜訊。當不存在一磁場(1/f雜訊)時在感測器輸出中之偏移及變動兩者可被視為一有效低頻信號。當該取樣電路操作於高於此不想要(且可能時變)信號之一頻率時，用一高靈敏度感測器一起感測該磁場之值(強度)與該非所需低頻信號，且接著不一會後用一低靈敏度感測器再次對該磁場之值(強度)及該非所需低頻信號兩者取樣。該二值之一隨後減法將產生一信號，其不具直流(DC)及在低於該取樣頻率之頻率下出現之時變偏移(1/f雜訊)。電流值及工作週期係經選擇以最大化信號雜訊比並最小化電力消耗(電壓)需求。
連同上文概述的技術，或在一分離DC測量應用中，可有使該感測器回應因該等穩定電流值之一者或兩者而飽和的場值。在此情況下，可增加該穩定電流，以便增加感測位元之總體Hk
及移動該感測器回應而免於飽和。該控制電路可偵測此一飽和條件、施加該等增加的穩定電流值，且隨後下游電路可被通知按比例縮小靈敏度校準。因此，經由該等穩定電流值之調整，若對於DC及相關二重取樣(CDS)測量，該穩定電流係固定在一個或兩個值，則相較於可能情況可容納一較大動態範圍而不損失對低場回應之解析度。
在另一實施例中，參考層可由一非釘紮合成反鐵磁(SAF)層代替習知釘紮SAF參考層而組成。此非釘紮SAF可經受來自兩個正交電流線之一觸發脈衝序列，該等電流線經安排路線極接近在該感測層上下，以便反轉該觸發脈衝序列的方向。在此一情況下，該兩個電流線將相對於該參考層以大約45度定向。一第一觸發電流脈衝將通過該第一電流線，並與此脈衝重疊，一第二觸發電流脈衝將通過該第二電流線。該第一觸發電流脈衝在該第二脈衝之前開始，且該第二觸發電流脈衝在該第一脈衝完成之後結束。因此，該感測器參考層在該觸發脈衝序列之前及之後被旋轉180度。依兩個參考層定向對該感測器輸出取樣，且該兩個值互相相減。在此情況下，第一測量產生該橋接器回應與一第一信號值及偏移+低頻條件。接著該回應因該參考層之相反定向而再次取樣，產生一第二信號值及相同偏移+低頻項。歸因於磁穿隧接面之本質，該兩個信號值正負號相反但量值相等。接著該減法得出移除偏移之該信號值的兩倍。
參考圖1，一例示性磁穿隧元件100係形成於一介電材料118內並包含由一穿隧障壁106分離的一鐵磁感測層102及一固定鐵磁區域104。該感測層102係藉由一通孔110連接至一第一導線108，且該固定區域104係藉由一通孔114連接至一第二導線112。一載流線116係經定位在該感測器層102及該固定區域104兩者附近的該磁穿隧元件100之對立側上。電流115之方向當進入頁面時由X表示且當自該頁面出來時由點113表示，雖然可反轉該方向。儘管根據該較佳實施例展示該載流線116在該感測層102及該固定區域104兩者附近，應瞭解該載流線116可經定位僅在該感測層102及該固定區域104之一者附近。在該非釘紮SAF實施例之情況下，該載流線可由未互連之兩條垂直線組成，一條線在該SAF層上方，而一條線在該SAF層下方。在此情況下，在測量期間之該電流將係流過該等線之一者之一單一值，在此一方向使得該所得場之投影係沿著該感測層之易磁化軸或難磁化軸。此等電流線較佳係經定向對該參考層釘紮方向成45度。為了切換該參考層之該方向，具有兩個脈衝之一觸發序列被向下發送至每一電流線。此等脈衝之該第一脈衝在該第二脈衝之前開始，且存在至少一3.0奈秒之一暫時重疊，在此重疊之後該第一脈衝被移除。該第二脈衝被保持稍長，且接著其亦被移除。
該固定磁區域104在此項技術中為熟知，且通常包含一固定層(未展示)，其經安置在該穿隧障壁與一反鐵磁耦合間隔層(未展示)之間。該反鐵磁耦合間隔層係由任何合適非磁材料(舉例而言，元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu之至少一者或其等之組合)所形成。一釘紮層(未展示)係經安置在該反鐵磁耦合間隔層與一可選擇釘紮層之間。在該非釘紮SAF實施例中忽略該釘紮層。該感測層102及該固定層可由任何合適鐵磁材料(諸如元素Ni、Fe、Co、B之至少一者、或其等合金)以及所謂的半金屬鐵磁體(諸如NiMnSb、PtMnSb、Fe3
O4
、或CrO2
)所形成。該穿隧障壁106可係絕緣材料，諸如AlOx、MgOx、RuOx、HfOx、ZrOx、TiOx或此等元素之氮化物或氮氧化物。
在該例示性實施例中，介電材料118可係氧化矽、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、聚醯亞胺、或其等之組合。該等導線108、112、通孔110、114、及載流線116較佳係銅，但應瞭解其等可係其他材料，諸如鉭、氮化鉭、銀、金、鋁、鉑、或另一合適導電材料。
鐵磁固定層及釘紮層各具有一磁矩向量，鐵磁固定層及釘紮層通常係藉由該反鐵磁耦合間隔層而保持反平行，該反鐵磁耦合間隔層引起一所得磁矩向量132，該磁矩向量132不可自由旋轉並用作一參考層。該感測層102具有一磁矩向量134，其當存在一磁場時自由旋轉。當不存在一施加場時，磁矩向量134係經定向沿著該感測層之異向性易磁化軸。
在該磁穿隧元件100之製造期間，使用在半導體工業中已知的任何技術，依次沈積或者形成各個後繼層，且可藉由選擇性沈積、光微影處理、蝕刻等等界定各個磁穿隧元件100。在至少該鐵磁感測器102及固定區域104之沈積期間，提供一磁場以設定一較佳異向性易磁化軸(引起的固有異向性)。該提供的磁場建立用於磁矩向量132、134之一較佳異向性易磁化軸。除固有異向性之外，具有大於一之縱橫比之感測元件可具有一形狀異向性，且此形狀異向性及固有異向性之組合界定一易磁化軸，其較佳平行於該感測元件之一長軸。此易磁化軸亦可經選擇以與參考磁化132成大約一30度至90度角。在不具通量集中器之該橋接器實施例中，此較佳大約係在一45度角。
四個磁穿隧感測元件100係經組合以形成一惠斯登橋接器200(圖2)。在該等磁穿隧元件100中表示的各個電阻器可係用於改良可靠性及信號雜訊比之一磁穿隧接面感測元件陣列。在分支之每一者中保持流過該等感測元件之電流方向，只要一分支自該電壓輸入108沿著該橋接器之任一路徑繼續，該電流自該磁穿隧接面堆疊之頂部流至底部或自該磁穿隧接面堆疊之底部流至頂部。該載流線116係經定位以在該四個磁穿隧元件100附近提供電流。雖然該載流線116可安置在該等磁穿隧元件100之僅一側上，該載流線116較佳亦係經安置在該等磁穿隧元件100之對立側上，藉此加倍對一給定電流施加的有效場。舉例而言，圖1描繪電流進入頁面(由一X表示)、及自頁面出來(由一點表示)。圖2藉由橫跨各個磁穿隧元件100之該載流線116之Z字形樣式描繪該對立電流方向。該橋接器係由在電壓源終端108與112之間之一恆定偏壓供應。橫跨該橋接器之中間區段在節點、或輸出、202及204處有差異地量測該感測器回應。對於各種橋接器定向可應用本文描述的相關二重取樣，然而可在受讓於本申請案之受讓人的美國專利申請案第12/055,482號中找到一實例。
圖3之圖表繪示感測器回應(靈敏度)隨流過載流線116之穩定電流而變化。在0.01 mV之一解析度下使用一12位元類比轉數位轉換器(ADC)感測該感測器輸出，則50 Oe信號302對於低於大約40 mA之一穩定電流將使該回應飽和。然而，在40 mA穩定電流下僅11個位元用以表示20 Oe場304，因此在此場級下解析度並非儘可能高。另外，該等感測元件回應對於低穩定電流將較早飽和，且因此可量測場範圍將隨穩定電流減小。為了最佳回應，控制磁感測電路之電路(未展示)將偵測何時接近一飽和(解析度限制)點並轉接至一較高(較低)穩定電路，並提供該輸出信號對該經量測場之適當比例因數轉換。在另一實施例中，可藉由施加兩個不同穩定電流而偵測穩定電流相依之場回應，且可藉由相減該兩個經取樣值而測定場值。
參考圖4，施加於該惠斯登橋接器200之該載流線116的穩定電流係由一電流源402在輸入404、406處之兩個預設值之間切換並經提供至包含放大器410、416之及取樣保持(S與H)電路412、414的輸出電路。在各值下取樣該差動放大器410之輸出(輸出終端408)。值較佳係大約2.5 mA及20 mA，但為相依於幾何且可為最佳電力消耗而調整。利用已知取樣保持技術保持對應值直到該兩值出現。較佳地，在選擇各個取樣保持電路412、414之前大約2微秒時選擇電流值502(圖5)，且在切換該電流源之前大約0.5微秒時斷開各個取樣保持電路412、414。在t1及t2(圖5)時取樣感測器回應(例如10 Oe場之504，或-10 Oe場之506)，且藉由差動放大器416量測的所得差異，用以透過該差動放大器420測定該經量測的場值。此方法具有因為偏移將出現在兩信號中而減去在該橋接器回應中出現之任何偏移之優勢。由於取樣頻率可被設定為僅受感測器RC時間常數限制的一高頻值，可快速取得兩信號(100 KHz)且亦將減去任何低頻雜訊。此屬性對於基於穿隧接面的磁感測器尤其重要，在1 KHz至10 KHz之一轉角下(其中在該雜訊回應轉變成非相依於頻率之強生雜訊(Johnson noise)之後)，此等感測器的雜訊具有強1/f特性。只要取樣頻率高於1/f雜訊轉角，信號雜訊比將僅受強生雜訊限制。其中一低頻或DC場之測量為所需時此變得極為有用，作為轉移該測量進入磁感測器之較安靜高頻回應區域內之一手段。另外，對於DC場之測量，大體上更新速率係相當低(通常在10 Hz之範圍內)，因此一簡短測量可引起一極低工作週期，並減少電力消耗達1000倍或更多。在該二值處之穩定電流可係單極性(20 mA、5 mA)、或雙極性(+5 mA、-5 mA或-5 mA、+20 mA)，但該單極性設計係較佳，因為存在較佳偏移減法且在一電路中更易於實施，並更容忍在參考層釘紮中之製程變動。另一選擇為或除該電流源之切換與取樣保持之切換之間之延遲之外，可使用一RC濾波器以抑制瞬變電流。
儘管在本發明之前文詳細描述中已出現至少一例示性實施例，但應意識到存在大量變動。亦應意識到該或該等例示性實施例僅係實例，且並未意欲以任何方式限制本發明之範圍、適用性或組態。而且，前文詳細描述將為熟習此項技術者提供用於實施本發明之一例示性實施例之一便利途徑，應瞭解可在一例示性實施例中描述的元件之功能及配置中作出各種變化而不背離如隨附申請專利範圍中所闡述之本發明之範圍。
100．．．磁穿隧元件
102．．．鐵磁感測層/感測器層/鐵磁感測器
104．．．固定區域/固定鐵磁區域/固定磁區域
106．．．穿隧障壁
108．．．第一導線
110．．．通孔
112．．．第二導線
113．．．點
114．．．通孔
115．．．電流
116．．．載流線
118．．．介電材料
132、134．．．磁矩向量
200．．．惠斯登橋接器
202．．．輸出
204．．．輸出
402．．．電流源
404．．．輸入
406．．．輸入
408．．．輸出終端
410．．．放大器
412．．．取樣保持電路
414．．．取樣保持電路
416．．．放大器
圖1係根據一例示性實施例之一磁穿隧接面元件之一截面圖；
圖2係一惠斯登橋接器，其包含四個圖1之該磁穿隧接面元件；
圖3係靈敏度對圖2之該惠斯登橋接器之一穩定電流之一圖表；
圖4係根據一例示性實施例之該磁場感測元件之一方塊圖；及
圖5係對於圖4之該例示性實施例該輸出信號隨時間變化之一圖表。
100．．．磁穿隧元件
102．．．鐵磁感測層/感測器層/鐵磁感測器
104．．．固定區域/固定鐵磁區域/固定磁區域
106．．．穿隧障壁
108．．．第一導線
110．．．通孔
112．．．第二導線
113．．．點
114．．．通孔
115．．．電流
116．．．載流線
118．．．介電材料
132、134．．．磁矩向量
Claims (19)
- 一種用於感測一磁場之感測器，其包括：至少一感測元件，其包含一鐵磁感測層並具有至少一感測元件輸出終端；一電壓源，其經組態以供應橫跨該感測元件的一電壓；至少一電流線，其鄰近於該至少一感測元件；一電流源，其經組態以供應包括第一電流值和第二電流值的一可變穩定電流至該至少一電流線以調整該感測器之靈敏度；及量測電路，其耦合至該至少一感測元件輸出終端以及經組態以分別量測對於該第一電流值和該第二電流值的第一輸出值和第二輸出值並藉此測定該磁場之強度及在該至少一感測元件輸出終端減少一偏移電壓和一低頻雜訊。
- 如請求項1之感測器，其中該至少一感測元件之每一者包括一磁穿隧接面元件陣列。
- 如請求項1之感測器，其中該至少一電流線係經連續安置在該至少一感測元件之對立側上，使得通過該電流線之一電流在該等對立側上呈兩個對立方向流動。
- 如請求項1之感測器，其中該至少一電流線包括：兩個正交電流線，該兩個正交電流線經安置在各個感測元件附近；且該量測電路包括： 取樣電路，其耦合在該至少一感測元件輸出終端之間並用於在一觸發脈衝序列與該第一電流線及該第二電流線作用之前及之後取樣該輸出。
- 如請求項1之感測器，其中該至少一感測元件包括：第一感測元件、第二感測元件、第三感測元件及第四感測元件，該等感測元件經組態為具有一對電壓源終端之一惠斯登橋接器；且該至少一感測元件輸出終端包括：一對輸出終端，該等輸出終端用於供應該輸出。
- 如請求項5之感測器，其中該第一感測元件、該第二感測元件、該第三感測元件及該第四感測元件之每一者包括一第一磁穿隧接面陣列、第二磁穿隧接面陣列、第三磁穿隧接面陣列及第四磁穿隧接面陣列。
- 如請求項4之感測器，其中該感測電路進一步包括：輸出電路，其耦合至該取樣電路以用於計算在該第一電流及該第二電流期間之該等輸出值之差異並用於產生一感測器輸出，該感測器輸出表示該經感測的磁場之量值。
- 一種感測一元件中之一磁場之方法，該元件包含至少一感測元件、一電壓源、及一輸入，該至少一感測元件包含一鐵磁感測層並具有至少一感測元件輸出終端，該電壓源經組態以供應橫跨該感測元件的一電壓，以及該輸入用於供應電流至經安置鄰近於該至少一感測元件的一電流線，該方法包括： 供應一第一穩定電流至該電流線；當供應該第一穩定電流時，在該感測元件輸出終端取樣一第一值；供應一第二穩定電流至該電流線；當供應該第二穩定電流時，在該感測元件輸出終端取樣一第二值；測定該第一值及該第二值之間之差異在該至少一感測元件輸出終端補償一偏移電壓和一低頻雜訊；及基於該差異測定一經量測的磁場。
- 如請求項8之感測器，其中該至少一感測元件之每一者包括一磁穿隧接面元件陣列，且該電流線係經安置鄰近於該等磁穿隧接面元件之每一者。
- 如請求項8之感測器，其中該至少一電流線係經連續安置在該至少一感測元件之對立側上；且其中供應該第一電流及該第二電流之該等步驟包括在該等對立側上呈兩個對立方向通過該第一電流及該第二電流。
- 如請求項8之感測器，其中該至少一電流線包括：兩個正交電流線，該兩個正交電流線經安置在該至少一感測元件附近；其中供應該第一電流及該第二電流之該等步驟包括：供應一觸發脈衝序列。
- 如請求項11之感測器，其中供應一觸發脈衝序列包括：在該觸發脈衝序列之前及之後取樣該輸出。
- 如請求項8之感測器，其中該至少一感測元件包括第一感測元件、第二感測元件、第三感測元件及第四感測元件，該等感測元件經組態為具有一對電壓源終端之一惠斯登橋接器，且該至少一感測元件輸出終端包括一對輸出終端，該對輸出終端用於供應該輸出，其中供應該第一電流及該第二電流之該等步驟包括供應該第一電流及該第二電流使之鄰近於該等第一感測元件、第二感測元件、第三感測元件及第四感測元件之每一者。
- 如請求項13之感測器，其中該第一感測元件、該第二感測元件、該第三感測元件及該第四感測元件之每一者分別包括一第一磁穿隧接面陣列、第二磁穿隧接面陣列、第三磁穿隧接面陣列及第四磁穿隧接面陣列。
- 如請求項8之感測器，其進一步包括在供應該第二電流之前終止該第一電流之供應之步驟。
- 一種感測一元件中之一磁場之方法，該元件包含至少一感測元件及第一及第二正交電流線，該至少一感測元件包含一鐵磁感測層、一非釘紮合成反鐵磁(SAF)參考層、在該鐵磁感測層和該非釘紮合成反鐵磁參考層之間的一穿隧障壁、至少一感測元件輸出終端，且該第一正交電流線及該第二正交電流線經安置在該至少一感測元件附近，該方法包括：施加一第一穩定電流至該第一電流線及該第二電流線之至少一者；在該至少一感測元件輸出終端處取樣一第一值； 供應一第一觸發電流至該第一電流線之一輸入；供應一第二觸發電流至該第二電流線之一輸入；該第二觸發電流及時部分重疊該第一觸發電流，藉此造成該非釘紮合成反鐵磁參考層的一磁矩反向；施加一第二穩定電流至該第一電流線及該第二電流線之至少一者，該第二穩定電流係與該第一穩定電流之量值相同或與該第一穩定電流之量值有差異；在該至少一感測元件輸出終端處取樣一第二值；測定該第一經取樣值與該第二經取樣值之間之差異；及基於該經測定的差異測定一經量測的磁場。
- 如請求項16之方法，其中該至少一感測元件之每一者包括一磁穿隧接面陣列。
- 如請求項16之方法，其中該至少一感測元件包括：第一感測元件、第二感測元件、第三感測元件及第四感測元件，該等感測元件經組態為具有一對電壓源終端之一惠斯登橋接器；且該至少一感測元件輸出終端包括：一對輸出終端，該等輸出終端用於供應該輸出。
- 如請求項18之方法，其中該第一感測元件、該第二感測元件、該第三感測元件及該第四感測元件之每一者包括一第一磁穿隧接面陣列、第二磁穿隧接面陣列、第三磁穿隧接面陣列及第四磁穿隧接面陣列。
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