TWI559019B - 使用處於第二諧波偵測模式之磁阻感測器來感測弱磁場之方法 - Google Patents

使用處於第二諧波偵測模式之磁阻感測器來感測弱磁場之方法 Download PDF

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Description

使用處於第二諧波偵測模式之磁阻感測器來感測弱磁場之方法
磁性穿隧接面(MTJ)具有大約百分之百的高磁阻率(亦即，(Rmax-Rmin)/Rmin=△R/R)且當前用以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MTJ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量測一磁場之方法。該方法包含將一交變驅動電流施加至上覆一磁阻感測器之一驅動帶以使該磁阻感測器之一操作點移位至一低雜訊區。藉由該交變驅動電流在該磁阻感測器中產生一交變磁性驅動場。當該欲量測之磁場疊加於該磁阻感測器中之該交變磁性驅動場上時，該方法進一步包括提取該磁阻感測器之一輸出之一第二諧波分量。該欲量測之磁場與該所提取第二諧波分量之一帶正負號振幅成比例。
在隨附圖式及下文說明中陳述所主張發明之各種實施例之細節。依據說明、圖式及申請專利範圍，其他特徵及優點將變得顯而易見。
各種圖式中之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，用於其中必須感測磁場之小值或地球磁場之小改變之任何應用中)。磁通閘及超導量子干涉裝置(SQUID) 係能夠量測磁場之小值或磁場之小改變之塊體級磁性感測器。
晶片尺度磁阻感測器可以低成本製成且因此比塊體級磁阻感測器有利。各向異性磁阻(AMR)感測器、GMR感測器及MTJ感測器係以一晶片尺度製造。GMR及MTJ堆疊包含具有一可切換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間之一障壁層。各向異性磁阻器(AMR)具有約2%至3%之磁阻率△R/R。巨磁阻器有利地提供大約百分之十的更高磁阻率△R/R。磁性穿隧接面(MTJ)提供甚至大約百分之百的更高磁阻(MR)率。
晶片尺度GMR或MTJ感測器之另一優點係其小大小。舉例而言，多層磁阻感測器(GMR或MTJ)可具有數十nm至數百nm之數量級之尺寸。因此，上覆一100 nm至150 nm寬之MTJ之一200 nm寬之金屬線具有32 μAmp/Oe之一「場轉換因數」，且一微米寬線具有159 μAmp/Oe之一場轉換因數。因此，切換一適當構建之多層磁阻感測器之自由層或使該層飽和所需之場係藉由使用需要適度電力消耗之特殊應用積體電路(ASIC)將適度電流施加至此感測器而產生。
然而，多層磁阻感測器之雜訊功率頻譜密度(包含1/f及巴克豪森(Barkhausen)雜訊分量)高於AMR感測器之雜訊功率頻譜密度。針對在低頻率下發生之磁性改變，1/f雜訊處支配地位，因此更高磁阻率之多層磁阻感測器並不轉變成對應更高的信雜比。為了將此感測器之高磁阻率轉變成一低最小可偵測場(mdf)或雜訊等效場解析度，改良信雜 (SN)比係重要的。在一1/f雜訊對頻率曲線圖之彎曲處上方之頻率下，信雜(SN)比增大。可藉由使用本文中所闡述之閉合迴路技術或偏移技術來減少第二雜訊源、巴克豪森雜訊。
本文中闡述用以改良多層磁阻感測器之信雜比之系統及方法之實施例。本文中所闡述之感測器系統利用以高解析度達成低成本及低電力消耗之磁性穿隧接面及/或巨磁阻器之獨特性質。如本文中所使用之術語多層MR感測器適用於具有大於AMR感測器之磁阻率之磁性穿隧接面感測器及巨磁阻器感測器兩者。本文中所闡述之系統及方法可與AMR感測器一起使用，但AMR感測器之低磁阻率限制此等基於AMR之系統之優點。
圖1A係根據本發明之一多層MR感測器10及驅動帶70之一項實施例之一方塊圖。一絕緣體65及驅動帶70上覆磁阻感測器10。絕緣層65定位於鐵磁自由層60與上覆驅動場帶70之間。下文參考圖3A及圖4至圖9闡述驅動帶70之功能。多層MR感測器10包含自底部至頂部堆疊之一反鐵磁體(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包含自底部至頂部堆疊之一鐵磁釘紮層30、一Ru層40及一參考層50。「障壁層55」在本文中亦稱為「障壁55」。若感測器10係一磁性穿隧接面感測器，則障壁55係一氧化物絕緣體障壁。若感測器10係一GMR感測器，則障壁55係一導電非磁性金屬層。
一經恰當設計之AFM/SAF結構中之參考層50之參考層磁 化400係「固定的」，亦即，一所施加磁場(高達通常~kOe之一高位準)不顯著地改變參考層磁化400。因此，參考層50亦稱為一硬層。在圖1A中所展示之例示性磁阻感測器10中，參考層50之參考層磁化400平行於Y軸。
參考層50直接位於障壁55下方，障壁55使參考層50與一自由層60分離。自由層60具有一易磁化軸420。磁性驅動場Hdrive(f)440及任何所施加磁場Happlied 450容易地改變自由層60之磁化。因此，自由層60亦稱為一軟層。針對一線性感測器，自由層60之易磁化軸420經設計為垂直於參考層磁化400。在圖1A中所展示之例示性磁阻感測器10中，自由層60之易磁化軸420平行於X。
易磁化軸420係自由層60處之所有磁性相互作用之淨總和。自由層易磁化軸420係在設定釘紮層30之後以低於用於設定釘紮層30之溫度之一溫度透過形狀各向異性或透過接面之一場退火而設定，如熟習此項技術者所習知。若在除易磁化軸420之方向外之一方向上將一低頻率磁場Happlied 450施加至自由層60，則自由層磁化遠離易磁化軸420而朝向所施加磁場旋轉。下文參考圖3A及圖3B闡述由交變驅動電流idrive(f)及外部施加之磁場Happlied 450產生之磁性驅動場Hdrive(f)之效應。外部施加之磁場Happlied 450係欲由磁性感測器10量測之場。其可係一弱DC磁場或在遠小於驅動頻率f之低頻率下改變之一弱磁場。
AFM 20通常由諸如NiMn、PtMn、IrMn或FeMn之一合金製成。藉由在大約200℃至350℃之範圍內之溫度下在kOe 之數量級之一場中將SAF/AFM 11/20退火達數小時而在釘紮層30上形成交換偏壓。此設定AFM 20中之在AFM 20與釘紮層30之間的界面處之未補償自旋之方向，因此提供一偏壓場至釘紮層30。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之方向設定為與釘紮層磁化405之方向相反。SAF 11之靜磁化經修整至幾乎為零。因此，需要數kOe之數量級之高施加場來改變釘紮層/參考層對30/50之磁化。
磁阻感測器10之敏感軸垂直於自由層易磁化軸420。根據公式R(θ)=R 0 +△R(1-cos θ)/2，磁阻感測器10之電阻R係參考層磁化400與自由層磁化之間的角度之一函數，其中θ係參考層磁化與自由層磁化之間的角度。因此，若僅將場Happlied 450施加至感測器，則在此所施加場之影響下自由層磁化之旋轉將針對此場之小值產生磁阻之一線性傳遞函數，cos(θ)隨著場Happlied線性地變化。
圖1B係根據本發明之一磁性穿隧接面14、電觸點27及28以及驅動帶70之一項實施例之一方塊圖。磁性穿隧接面(MTJ)14係如圖1A中所展示之一磁阻感測器10。圖1A中所展示之障壁層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用以促進AFM層20之生長。電觸點(頂部引線)28上覆帽蓋層61。一絕緣體層72隔離電觸點28與驅動帶70。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1B中所展示，電流係自底部引線(電觸點27)引導至頂部引線(電觸點28)。圖2A係根據本發明之用以量測圖1B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。在此實施例之一項實施方案中，另一絕緣體層及一偏移帶上覆磁性穿隧接面14之驅動帶70。
圖1C係根據本發明之一GMR感測器13、電觸點128及129、一驅動帶70以及一偏移帶80之一項實施例之一方塊圖。GMR 13係如圖1A中所展示之一多層磁阻感測器10。圖1A中所展示之障壁層55係一非磁性導電層57(諸如，一Cu層57)。巨磁阻器13可以電流在平面內(CIP)模式操作。上覆絕緣體26之一晶種層22用以促進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藉由絕緣體層72而彼此分離。絕緣體層72亦隔離電觸點128及129與驅動帶70，驅動帶70由一絕緣體層71覆蓋。偏移帶80上覆絕緣體層71。下文參考圖7、圖8及圖9闡述偏移帶80之功能。
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1C中所展示，電流係自引線1(電觸點128)引導至引線2(電觸點129)。圖2B係根據本發明之用以量測圖1C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。
在此實施例之一項實施方案中，不存在上覆巨磁阻器13之偏移帶80。在此實施例之另一實施方案中，巨磁阻器13經組態而以電流垂直於平面(CPP)模式操作，如熟習此項技術者所習知。
圖3A係根據本發明之包含圖1A之磁阻感測器10之一磁阻感測器系統3之一項實施例之一方塊圖。磁阻感測器系統3包含磁阻感測器10、驅動帶70、一偵測電路150、一頻率產生器200及一分頻器210。磁阻感測器10展示為下伏驅動帶70之虛線框且係一磁性穿隧接面或一巨磁阻器。
偵測電路150包含一帶通濾波器220及一相位敏感偵測器230。相位敏感偵測器230之輸出輸入至一低通濾波器222。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將一感測電壓輸出至相位敏感偵測器230。相位敏感偵測器230輸出指示第二諧波分量之振幅及正負號之資訊。輸出電壓之第二諧波分量之包含正負號之振幅與正偵測之磁場Happlied 450成比例。「第二諧波分量之包含正負號之振幅」在本文中亦稱為「第二諧波分量之帶正負號振幅」或「帶正負號振幅」。
如圖1A中所展示，磁阻感測器10包含具有一可切換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及其間之一障壁層55。上覆磁阻感測器10之驅動帶70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idrive(f)。在圖3A中，頻率產生器200經由分頻器210將交變驅動電流供應至驅動帶70。頻率產 生器200產生在頻率2f下交變之一參考信號且將該信號輸出至分頻器210。頻率產生器200亦將在頻率2f下交變之信號輸出至相位敏感偵測器230。分頻器210將在頻率2f下交變之信號劃分為兩半且將處於頻率f之交變驅動電流idrive(f)輸出至驅動帶70。如熟習此項技術者可理解，存在可用以將處於頻率f之交變驅動電流idrive(f)施加至驅動帶70之其他技術。為了便於觀看磁阻感測器10中之場，在圖1A中未展示用以將磁阻感測器10連接至一電路之引線。
在圖1A中展示為驅動帶70中之標記為430之雙向箭頭之驅動電流idrive(f)產生一磁性驅動場Hdrive(f)，Hdrive(f)在圖1A中展示為標記為440之圓形雙向箭頭。此磁性驅動場Hdrive(f)440延伸至自由層60中，如圖1A中標記為440之雙向箭頭所展示。由於磁性驅動場Hdrive(f)440在±Y方向上振盪，因此自由層磁化週期性地遠離自由層易磁化軸420(圖1A)旋轉為平行於自由層60中之磁場(亦即，平行於且反平行於正Y軸)。振盪磁性驅動場Hdrive(f)440使磁阻感測器10之操作點移位超過1/f功率頻譜密度曲線之彎曲處以利用MTJ或GMR之高△R/R。因此，振盪磁性驅動場Hdrive(f)440有利地准許磁阻感測器系統3達成高信雜比，或相反地，偵測一小的最小可偵測場(mdf)。
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，以使得可在偵測電路150中進行電壓量測。
特定而言，在驅動電流idrive(f)之一範圍(具有足夠高以 使自由層60飽和但足夠低以使參考層50實質上不受影響之振幅)內，自由層磁化421沿著y軸自正飽和變為負飽和從而產生磁阻感測器10中之一週期性電阻改變。如圖3A中之磁性感測器10之俯視圖中所展示，在一第一時間t1處自由層磁化421'與參考層磁化400成角度β1且在一時間t2處自由層磁化421"與參考層磁化400成角度β2。當僅將一週期性驅動電流施加至磁阻感測器10且沿著Y軸不存在DC(或低頻率)磁場Happlied 450時，磁阻感測器10之理想輸出包含f之僅奇次諧波倍數。
當將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疊加於磁阻感測器10中之交變磁性驅動場Hdrive(f)上且磁阻感測器10之輸出形成偶次諧波分量。最低次數之偶次諧波係處於頻率2f之第二諧波分量。在此情形中，自由層60中之磁場包含振盪磁性驅動場Hdrive(f)440及欲由磁性感測器10量測之外部施加之磁場450。偵測電路150提取磁阻感測器10之輸出Vout之第二諧波分量。相對於所施加磁性驅動場Happlied 450繪製之第二諧波分量之帶正負號振幅係磁阻感測器10之傳遞函數。
針對平行於Y軸之Happlied之小值(Happlied<<Hdrive之振幅)，第二諧波之帶正負號振幅與DC場Happlied成比例。
藉由以超過1/f雜訊曲線之彎曲處之一頻率f驅動感測器，磁阻感測器10之信雜比高於在接近零頻率之操作中之磁阻感測器之信雜比。
頻率產生器200輸出不具有任何第二諧波分量之一頻譜 純驅動波形。若在驅動電流idrive(f)中存在偶次諧波分量，則甚至在不存在一所施加場之情況下(所謂的空值偏移)在輸出Vout中亦將存在偶次諧波分量。若頻率產生器200不產生一頻譜純驅動波形，則偵測電路之輸出處之空值偏移可由使用者校準。
圖3B係處於第二諧波模式之一模擬輸出。交變磁性驅動場Hdrive(f)440展示為一正弦虛線。除純正弦波外之週期性波形可用於磁性驅動場Hdrive(f)，如熟習此項技術者在閱讀及理解此文件後可理解。由於自由層60之M-H迴路之非線性，交變磁性驅動場Hdrive(f)440產生一幾乎方形輸出Vout波形470。本文中所闡述之磁阻感測器10之小的大小允許使用原位帶以極適度的電流及電力消耗將磁阻感測器10自正飽和驅動至負飽和。
當平行於Y軸之所施加DC磁場Happlied疊加於交變磁性驅動場Hdrive(f)上時，產生一稍微扭曲之波形480(自原始波形470)。差波形490具有僅偶次諧波且第二諧波分量之振幅與平行於Y軸之所施加DC磁場Happlied成比例。
以上操作係針對其中參考層磁化400沿著Y軸固定且自由層易磁化軸420平行於X軸之情形而闡述。當自由層易磁化軸420平行於Y軸(亦即，在不存在入射於磁阻感測器10上之一所施加場Happlied之情況下(亦即，磁阻感測器10之空值狀態)自由層磁化平行於或反平行於參考層磁化400)時，第二諧波操作同樣良好地起作用。
現參考圖3A，偵測電路150取正自磁阻感測器10輸出之 輸出電壓Vout作為輸入且判定輸出電壓Vout之第二諧波分量之帶正負號振幅。帶通濾波器220取正自磁阻感測器10輸出之經放大輸出電壓Vout作為輸入且將約2f之一窄頻率範圍中之感測電壓傳遞至相位敏感偵測器230。相位敏感偵測器230自帶通濾波器220取約2f之一窄頻率範圍中之感測電壓作為輸入且亦自產生器200取在頻率2f下交變之一參考信號作為輸入。
相位敏感偵測器230產生包含與輸出電壓Vout之第二諧波分量之帶正負號振幅成比例之一DC分量之一電壓。由於相位敏感偵測器230自產生器200接收在頻率2f下交變之參考信號460作為輸入，因此頻疊效應可導致自相位敏感偵測器230輸出非DC分量。因此，使相位敏感偵測器230之輸出通過一低通濾波器222以移除任何非DC分量。以此方式，偵測電路150判定輸出電壓Vout之一第二諧波分量之振幅及正負號。輸出電壓之第二諧波分量之包含正負號之振幅與正偵測之磁場Happlied 450成比例。
如圖3A中所展示，磁阻感測器系統3之分量整合於一矽基板25上。在此實施例之一項實施方案中，磁阻感測器10及驅動帶70整合於矽基板25上且其他分量脫離晶片。
圖4係根據本發明之一磁阻感測器10及驅動帶70之一項實施例之一方塊圖。圖5及圖6分別係根據本發明之包含圖4之磁阻感測器10之磁阻感測器系統5及6之實施例之方塊圖。在此實施例之一項實施方案中，磁阻感測器10係一磁性穿隧接面，諸如(舉例而言)圖1B中所展示之磁性穿隧接 面14。在此實施例之另一實施方案中，磁阻感測器10係一巨磁阻器，諸如(舉例而言)圖1C中所展示之巨磁阻器13。圖4之驅動帶70與圖1A之驅動帶70之不同在於，正在正X方向上施加一空值電流inulling 415。空值電流inulling 415在自由層60處產生在正Y方向上引導之一磁性空值場Hnull 425。為了便於觀看磁阻感測器10中之場，在圖4中未展示用以將磁阻感測器10連接至一電路之引線。
如圖5中所展示，磁阻感測器系統5包含磁阻感測器10、驅動帶70、放大器221、一偵測電路150、一低通濾波器222、一頻率產生器200、一分頻器210及一回饋電路160。在此系統中驅動帶70用以使磁阻感測器10以一閉合迴路模式操作。回饋電路160包含一放大器233及一積分器237。回饋電路160將空值電流inulling 415提供至上覆磁阻感測器10之驅動帶70以便產生與正偵測之磁場(Happlied 450)相反之一空值磁場Hnull 425。回饋電路160自相位敏感偵測器230取信號330作為輸入且將空值電流inulling 415輸出至驅動帶70。信號330與帶正負號第二諧波分量成比例。相位敏感偵測器230將信號330輸出至放大器233，放大器233放大自相位敏感偵測器230接收之信號330。放大器233之輸出輸入至積分器237，積分器237對經放大信號330進行積分以產生與所提取第二諧波分量之振幅成比例之一空值電流inulling 415。係積分器237之輸出之空值電流inulling 415輸入至驅動帶70。空值電流inulling 415產生空值磁場Hnull 425，空值磁場Hnull 425與磁阻感測器10中之欲量測之磁場 Happlied 450相反。
如圖5中所展示，將指示輸出電壓Vout之第二諧波分量之帶正負號振幅之資訊發送至由一放大器233及積分器237組成之回饋電路160，此為熟習此項技術者所習知。該回饋電路如所展示產生一空值電流Inulling 415。可藉由量測跨越一穩定串聯電阻器R1之電壓降而量測空值電流inulling 415。空值電流415或跨越串聯電阻器R1之對應電壓降與Happlied成比例。如圖5中所展示，空值電流inulling 415產生等於所施加磁場Happlied 450且與其相反之一磁性空值場Hnull 425。
因此，第二諧波信號330經放大、積分且用作回饋電流(亦即，空值電流inulling 415)以抵消用以施加磁性驅動場Hdrive(f)440之同一驅動帶70上之外部所施加磁場Happlied 450。假定所施加磁場Happlied 450之時標與磁性驅動場Hdrive(f)440之時標充分分離，亦即，所施加磁場Happlied 450係為低頻率或接近DC。以此方式，自由層60之僅有磁化偏離係由週期性磁性驅動場Hdrive(f)440所導致之偏離。由於磁阻感測器10感測所施加場之一範圍，因此不存在自由層60之磁化狀態之DC移位，此乃因任何所施加磁場Happlied 450皆藉由磁性空值場Hnull 425而變為空值。此回饋減少巴克豪森雜訊以使得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之動態範圍。
圖6之磁阻感測器系統6具有與圖5之磁阻感測器系統5相同之功能。圖6之磁阻感測器系統6在結構上與圖5之磁阻 感測器系統5之不同在於，偵測電路150由一數位處理器250替換。數位處理器250自磁阻感測器10接收輸出電壓Vout作為輸入且自產生器200接收在頻率2f下交變之參考信號460作為輸入。數位處理器250自從磁阻感測器10輸出之輸出電壓Vout提取第二諧波分量。數位處理器250產生與輸入信號Vout之第二諧波分量之帶有正負號之振幅成比例之一電壓。如上文參考圖5所闡述，回饋電路160之輸出係施加至驅動帶70之Inulling。在此實施例之一項實施方案中，一放大器定位於磁阻感測器10與數位處理器250之間。
圖7係根據本發明之一磁阻感測器10、驅動帶70及偏移帶80之一項實施例之一方塊圖。圖8及圖9分別係根據本發明之包含圖7之磁阻感測器10之磁阻感測器系統8及9之實施例之方塊圖。如圖7至圖9中所展示，一偏移帶80上覆驅動帶70。圖8中所展示之磁阻感測器系統8之結構與圖3A之磁阻感測器系統3之不同在於，磁阻感測器10由偏移帶80上覆。圖9中所展示之磁阻感測器系統9之結構與圖6之磁阻感測器系統6之不同在於，磁阻感測器10由偏移帶80上覆。一絕緣體層71隔離偏移帶80與驅動帶。為了便於觀看磁阻感測器10中之場，在圖7中未展示用以將磁阻感測器10連接至一電路之引線。
在此實施例之一項實施方案中，磁阻感測器10係一磁性穿隧接面，諸如(舉例而言)圖1B中所展示之磁性穿隧接面14。在此實施例之另一實施方案中，磁阻感測器10係一巨磁阻器，諸如(舉例而言)圖1C中所展示之巨磁阻器13。在 此實施例之再一實施方案中，驅動帶70上覆偏移帶80且藉由絕緣體層71與偏移帶80分離。
圖7之驅動帶70在結構及功能上類似於圖1A中所展示之驅動帶70。偏移帶80垂直於驅動場帶70且以操作方式攜載垂直於驅動電流idrive 430之一偏移電流ioffset 435。偏移帶80在磁阻感測器10中產生垂直於欲量測之磁場Happlied 450之一偏移磁場Hoffset。偏移帶80控制自由層60在其正由週期性磁性驅動場Hdrive(f)440驅動時之磁化之動態。未展示產生ioffset 435之電流源，但該電流源可係習知電流源中之任一者。
自由層60之磁化(自由層磁化421)之動態取決於自由層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)。針對較大磁阻感測器10(>~1 μm)，在自一種飽和狀態切換至相反飽和狀態期間之磁化之動態涉及域壁動態。域壁介導切換一般涉及係巴克豪森雜訊源之巴克豪森跳變。針對具有小於~1 μm之尺寸之磁阻感測器10，自由層60藉由成核及磁渦漩傳播而自一種飽和狀態切換至相反飽和狀態。針對小或大尺寸，在恰當條件下自由層磁化之動態可涉及「相干旋轉」，在此情形中減少了巴克豪森雜訊。
藉由維持藉由在磁阻感測器10之操作期間將一偏移電流ioffset 435施加至偏移帶80而產生之一偏移場Hoffset 445來確保自由層磁化421之相干旋轉。藉由檢查磁阻感測器10之輸出波形之品質而根據經驗判定偏移電流ioffset 435之量 值。由於多層磁阻感測器10具有此等小尺寸，因此驅動帶70及偏移帶80可以適度電流及電力值操作。
如圖8中所展示，磁阻感測器系統8包含上文參考圖3A所闡述之放大器221及偵測電路150。如圖9中所展示，磁阻感測器系統9包含上文參考圖6所闡述之偵測電路151及回饋電路160。在此實施例之一項實施方案中，一放大器定位於磁阻感測器10與數位處理器250之間。
圖10係根據本發明之用以量測一磁場Happlied之一方法1000之一項實施例之一流程圖。方法1000適用於上文分別參考圖3A、圖5、圖6、圖8及圖9所闡述之磁阻感測器系統3、5、6、8及9。
在方塊1002處，將一交變驅動電流idrive(f)施加至上覆一磁阻感測器10之一驅動帶70以使磁阻感測器10之一操作點移位至一低雜訊區。低雜訊區在1/f雜訊頻譜中之彎曲處上方。在此實施例之一項實施方案中，將一交變驅動電流idrive(f)施加至上覆一磁性穿隧接面14(圖1B)之一驅動帶70以使磁性穿隧接面之一操作點移位至一低雜訊區。在此實施例之另一實施方案中，將一交變驅動電流idrive(f)施加至上覆一巨磁阻感測器13(圖1C)之一驅動帶70以使巨磁阻感測器之一操作點移位至一低雜訊區。
藉由交變驅動電流idrive(f)在磁阻感測器10中產生一交變磁性驅動場Hdrive(f)。如下將交變驅動電流idrive(f)施加至一驅動帶70：將處於一初始頻率2f之一信號自一頻率產生器200輸出至一分頻器210；將處於初始頻率2f之信號分頻 為兩半以產生處於一驅動頻率f之信號；且將處於驅動頻率f之信號輸入至驅動帶70。交變驅動電流idrive(f)係在驅動頻率f下交變。驅動頻率f係初始頻率2f之一半。
當欲量測之磁場Happlied 450疊加於磁阻感測器10中之交變磁性驅動場Hdrive(f)上時發生方塊1004。在方塊1004處，提取磁阻感測器10之一輸出之一第二諧波分量。
在此實施例之一項實施方案中，如下提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量：將一輸出電壓Vout自磁阻感測器10輸出至一數位處理器250；在數位處理器250處傅立葉分解輸出電壓；將處於初始頻率之一參考信號自頻率產生器200輸入至數位處理器250；且提取處於初始頻率(2f)之經傅立葉分解之輸出電壓之第二諧波分量。然後自數位處理器250輸出指示輸出電壓Vout之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號。在圖6及圖9中展示之磁阻感測器系統6及9分別經組態而以此方式提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量。
在此實施例之另一實施方案中，如下提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量：在一帶通濾波器220處濾波來自磁阻感測器之一輸出電壓；將帶通濾波器220之一輸出(感測電壓)輸入至一相位敏感偵測器230；將處於初始頻率2f之一參考信號自頻率產生器200輸入至相位敏感偵測器230；在相位敏感偵測器230處提取經濾波之輸出電壓之第二諧波分量；且自相位敏感偵測器230輸出指示輸出電壓之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號。在圖5 及圖8中展示之磁阻感測器系統5及8分別經組態而以此方式提取磁阻感測器10之輸出之第二諧波分量。
方塊1006及1008係選用的。可在磁阻感測器系統之實施例中實施方塊1006及方塊1008中之一者或兩者。在選用方塊1006處，將一偏移電流施加至上覆或下伏驅動帶70且垂直於驅動帶70之一偏移帶80。偏移帶80在磁阻感測器10中產生一偏移磁場Hoffset 445。偏移磁場Hoffset 445垂直於欲量測之磁場Happlied 450。偏移磁場Hoffset 445減少或消除巴克豪森雜訊。
在選用方塊1008處，將一空值電流inulling 415施加至驅動帶70以在磁阻感測器10中產生一空值磁場Hnull 425。空值磁場Hnull 425平行於欲量測之磁場Happlied 450且與其相反。空值磁場Hnull 425減少巴克豪森雜訊且增加感測器之動態範圍。
在此實施例之一項實施方案中，如下將空值電流inulling 415施加至驅動帶70以在磁阻感測器10中產生一空值磁場Hnull 425：藉由放大器233放大處於初始頻率之第二諧波信號；在積分器237處對經放大第二諧波信號進行積分以產生與所提取第二諧波分量之帶正負號振幅成比例之一空值電流inulling 415；且將空值電流inulling 415自積分器237輸入至驅動帶70。以此方式，在磁阻感測器10中產生與欲量測之磁場Happlied 450相反之空值磁場Hnull 425。圖5、圖6及圖9之磁阻感測器系統5、6及9分別可操作而以此方式將一空值電流inulling 415施加至驅動帶70。
磁阻感測器系統3、5、6、8及9中之每一者可操作以藉由將一交變驅動電流idrive(f)施加至上覆一磁阻感測器10之一驅動帶70以使得藉由交變驅動電流idrive(f)在磁阻感測器10中產生一交變磁性驅動場Hdrive(f)來量測一磁場(包含一弱DC磁場)。施加至驅動帶70之交變驅動電流idrive(f)使磁阻感測器10之操作點移位至一低雜訊區。當欲量測之磁場Happlied 450疊加於磁阻感測器10中之交變磁性驅動場Hdrive(f)440時，提取磁阻感測器10之一輸出之第二諧波分量。判定第二諧波分量之振幅。欲量測之場Happlied 450與所提取第二諧波分量之包含正負號之振幅成比例。若一偏移帶80垂直於驅動帶70以攜載一電流ioffset，則減少或消除巴克豪森雜訊。若使驅動帶70在一閉合迴路中操作以使得空值電流inulling 415亦施加至驅動帶70，則減少巴克豪森雜訊。如圖9中所展示，磁阻感測器系統9使用偏移帶80及一回饋電路161兩者來減少巴克豪森雜訊。
使本文中所闡述之磁性感測器之各種實施例以第二諧波偵測模式操作以感測處於DC或低頻率之弱磁場。在若干實施例中，第二諧波偵測電路及回饋電路之功能中之某些功能或所有功能整合於其上製作MTJ或GMR之同一Si晶片上。
本文中所闡述之磁阻感測器系統可用於羅盤、用作導航之一輔助、用於對諸如車輛之遠距離物件之磁性異常偵測或以一陣列形式用於電路板或積體電路製造中之偽造或特洛伊(Trojan)木馬偵測。
實例性實施例
實例1包含一種用以量測一磁場之方法，該方法包括：將一交變驅動電流施加至上覆一磁阻感測器之一驅動帶以使磁阻感測器之一操作點移位至一低雜訊區，其中藉由該交變驅動電流在該磁阻感測器中產生一交變磁性驅動場；當欲量測之磁場疊加於磁阻感測器中之交變磁性驅動場上時，提取磁阻感測器之一輸出之一第二諧波分量，其中欲量測之磁場與所提取第二諧波分量之一帶正負號振幅成比例。
實例2包含實例1之方法，實例2進一步包括將一偏移電流施加至一偏移帶，該偏移帶係上覆該驅動帶或下伏該驅動帶中之一者且垂直於該驅動帶，其中該偏移帶在磁阻感測器中產生垂直於欲量測之磁場之一偏移磁場。
實例3包含實例1或2中任一項之方法，實例3進一步包括將一空值電流施加至驅動帶以在磁阻感測器中產生一空值磁場，該空值磁場平行於欲量測之磁場且與其相反。
實例4包含實例1至3中任一項之方法，實例4進一步包括將一空值電流施加至驅動帶以在磁阻感測器中產生一空值磁場，該空值磁場平行於欲量測之磁場且與其相反。
實例5包含實例1至4中任一項之方法，其中將交變電流施加至驅動帶包括：將處於一初始頻率之一信號自一頻率產生器輸出至一分頻器；對處於初始頻率之信號進行分頻以產生處於一驅動頻率之一信號，該驅動頻率係初始頻率之一半；及將處於驅動頻率之信號輸入至驅動帶，其中交 變驅動電流在驅動頻率下交變。
實例6包含實例1至5中任一項之方法，其中提取磁阻感測器之輸出之第二諧波分量包括：將一輸出電壓自磁阻感測器輸出至一數位處理器；及在數位處理器處傅立葉分解輸出電壓；將處於初始頻率之一參考信號自頻率產生器輸入至數位處理器；及提取處於初始頻率之經傅立葉分解之輸出電壓之第二諧波分量，該方法進一步包括：輸出指示輸出電壓之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號。
實例7包含實例1至6中任一項之方法，實例7進一步包括：放大指示所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之信號；對指示所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之經放大信號進行積分以產生與所提取第二諧波分量之振幅成比例之一空值電流；將空值電流輸入至驅動帶，其中在磁阻感測器中產生與欲量測之磁場相反之一空值磁場。
實例8包含實例1至5中任一項之方法，其中提取磁阻感測器之輸出之第二諧波分量包括：在一帶通濾波器處濾波來自磁阻感測器之一輸出電壓；將帶通濾波器之一輸出輸入至一相位敏感偵測器；將處於初始頻率之一參考信號自頻率產生器輸入至相位敏感偵測器；及在相位敏感偵測器處提取經濾波輸出電壓之第二諧波分量，該方法進一步包括：輸出指示輸出電壓之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號。
實例9包含實例8之方法，實例9進一步包括：放大指示 所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之信號；對指示所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之經放大信號進行積分以產生與所提取第二諧波分量之振幅成比例之一空值電流；及將空值電流輸入至驅動帶，其中在磁阻感測器中產生與欲量測之磁場相反之一空值磁場。
實例10包含實例1至9中任一項之方法，其中將一交變驅動電流施加至上覆一磁阻感測器之一驅動帶以使磁阻感測器之一操作點移位至一低雜訊區包括以下各項中之一者：將一交變驅動電流施加至上覆一磁性穿隧接面之一驅動帶以使磁性穿隧接面之一操作點移位至一低雜訊區；或將一交變驅動電流施加至上覆一巨磁阻感測器之一驅動帶以使巨磁阻感測器之一操作點移位至一低雜訊區。
實例11包含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括：一磁阻感測器，其包括具有一可切換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間之一障壁層；一驅動帶，其上覆磁阻感測器以攜載一交變驅動電流；一頻率產生器，其用以將交變驅動電流供應至驅動帶；一偵測電路，其用以輸入正自磁阻感測器輸出之一輸出電壓且用以輸出指示輸出電壓之一第二諧波分量之一帶正負號振幅之一信號，該輸出電壓之第二諧波分量之帶正負號振幅與正偵測之磁場成比例。
實例12包含實例11之磁阻感測器系統，實例12進一步包括：一回饋電路，其用以將一空值電流提供至上覆磁阻感測器之驅動帶以產生與正偵測之磁場相反之一空值磁場。
實例13包含實例12之磁阻感測器系統，其中偵測電路包括：一帶通濾波器，其用以輸入正自磁阻感測器輸出之輸出電壓；及一相位敏感偵測器，其用以輸入來自帶通濾波器之一感測電壓且用以輸入來自頻率產生器之一參考信號，且其中回饋電路包括：一放大器，其用以放大指示自相位敏感偵測器接收之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之信號；及一積分器，其用以對指示帶正負號振幅之經放大信號進行積分且用以將空值電流輸出至驅動帶。
實例14包含實例11至12中任一項之磁阻感測器系統，其中偵測電路包括：一數位處理器，其用以提取經傅立葉分解之輸出電壓之第二諧波分量且用以輸出指示所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號，且其中回饋電路包括：一放大器，其用以放大指示自數位處理器接收之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之信號；及一積分器，其用以對指示帶正負號振幅之經放大信號進行積分且用以將空值電流輸出至驅動帶。
實例15包含實例11至14中任一項之磁阻感測器系統，實例15進一步包括：定位於鐵磁自由層與上覆驅動場帶之間的一絕緣層。
實例16包含實例11至15中任一項之磁阻感測器系統，實例16進一步包括：一偏移帶，其垂直於驅動場帶以攜載垂直於驅動電流之一偏移電流；及一絕緣層，其定位於驅動場帶與偏移帶之間。
實例17包含實例16之磁阻感測器系統，其中磁阻感測 器、驅動帶、偏移帶、頻率產生器及偵測電路整合於一矽基板上。
實例18包含實例11至16中任一項之磁阻感測器系統，其中磁阻感測器、驅動帶、頻率產生器及偵測電路整合於一矽基板上。
實例19包含實例11至18中任一項之磁阻感測器系統，其中磁阻感測器係一磁性穿隧接面或一巨磁阻器中之一者。
實例20包含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括：一磁阻感測器，其包括具有一可切換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間之一障壁層；一驅動帶，其上覆磁阻感測器以攜載處於一驅動頻率之一交變驅動電流；一頻率產生器，其用以將交變驅動電流供應至驅動帶；一數位處理器，其可操作以：自頻率產生器輸入處於兩倍於驅動頻率之一初始頻率之一參考信號，傅立葉分解輸出電壓，且提取一經傅立葉分解之輸出電壓之第二諧波分量，且輸出指示所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之一信號；一放大器，其用以放大指示自數位處理器接收之所提取第二諧波分量之帶正負號振幅之信號；及一積分器，其用以對指示帶正負號振幅之經放大信號進行積分且用以將空值電流輸出至驅動帶；及一串聯電阻器，其在積分器之輸出處，其中跨越串聯電阻器之一電壓降與欲量測之磁場成比例。
已闡述由以下申請專利範圍定義之本發明之若干個實施例。然而，將理解，可在不背離所主張發明之精神及範疇 之情況下對所闡述之實施例做出各種修改。舉例而言，可藉由一外部線圈來代替驅動帶產生一交變驅動電流，且可藉由一外部線圈來代替偏移帶產生一偏移電流。針對另一實例，驅動帶及/或偏移帶可形成於磁阻感測器之AFM層下面。因此，其他實施例在以下申請專利範圍之範疇內。
3‧‧‧磁阻感測器系統
5‧‧‧磁阻感測器系統
6‧‧‧磁阻感測器系統
8‧‧‧磁阻感測器系統
9‧‧‧磁阻感測器系統
10‧‧‧多層MR感測器/磁阻感測器/感測器/例示性 磁阻感測器/磁性感測器
11‧‧‧合成反鐵磁體
13‧‧‧巨磁阻感測器/巨磁阻/巨磁阻器
14‧‧‧磁性穿隧接面
20‧‧‧反鐵磁體/反鐵磁體層
22‧‧‧非磁性晶種層/晶種層
25‧‧‧矽基板
26‧‧‧絕緣體
27‧‧‧電觸點/底部引線
28‧‧‧電觸點/頂部引線
30‧‧‧鐵磁釘紮層/釘紮層
40‧‧‧Ru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/Cu層
60‧‧‧鐵磁自由層/自由層/帽蓋層
61‧‧‧非磁性帽蓋層/帽蓋層
65‧‧‧絕緣體/絕緣層
70‧‧‧驅動帶/驅動場帶
71‧‧‧絕緣體層
72‧‧‧絕緣體層
80‧‧‧偏移帶
90‧‧‧電路
91‧‧‧電路
128‧‧‧電觸點/引線1
129‧‧‧電觸點/引線2
150‧‧‧偵測電路
151‧‧‧偵測電路
160‧‧‧回饋電路
200‧‧‧頻率產生器/產生器
210‧‧‧分頻器
220‧‧‧帶通濾波器
221‧‧‧放大器
222‧‧‧低通濾波器
230‧‧‧相位敏感偵測器
233‧‧‧放大器
237‧‧‧積分器
250‧‧‧數位處理器
330‧‧‧信號/經放大信號/第二諧波信號
400‧‧‧參考層磁化
405‧‧‧釘紮層磁化
415‧‧‧空值電流
420‧‧‧易磁化軸/自由層易磁化軸
421'‧‧‧自由層磁化
421"‧‧‧自由層磁化
425‧‧‧磁性空值場/空值磁場
430‧‧‧驅動電流/交變驅動電流
435‧‧‧偏移電流
440‧‧‧磁性驅動場/振盪磁性驅動場/週期性磁性驅動場/交變磁性驅動場
445‧‧‧偏移場/偏移磁場
450‧‧‧所施加磁場/低頻率磁場/外部施加之磁場/場/受偵測之磁場/DC磁場/外部磁場/欲量測之磁場/所施加磁性驅動場
460‧‧‧參考信號
470‧‧‧幾乎方形輸出波形/原始波形
480‧‧‧稍微扭曲之波形
490‧‧‧差波形
f‧‧‧頻率
Happlied‧‧‧所施加磁場/低頻率磁場/外部施加之磁場/場/磁場/DC磁場/外部磁場/欲量測之磁場/DC場/所施加場/受偵測之磁場
Hdrive(f)‧‧‧磁性驅動場/振盪磁性驅動場/交變磁性驅動場/週期性磁性驅動場
Hnull‧‧‧磁性空值場/空值磁場
Hoffset‧‧‧偏移磁場/偏移場
Idrive(f)‧‧‧交變驅動電流/驅動電流
inulling‧‧‧空值電流
ioffset‧‧‧偏移電流/電流
R1‧‧‧穩定串聯電阻器/串聯電阻器
Vout‧‧‧輸出電壓/輸出/輸入信號
X‧‧‧軸方向
Y‧‧‧軸方向
Z‧‧‧軸方向
β1‧‧‧角度
β2‧‧‧角度
圖1A係根據本發明之一多層磁阻(MR)感測器及驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖1B係根據本發明之一磁性穿隧接面(MTJ)、電觸點及驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖1C係根據本發明之一巨磁阻(GMR)感測器、電觸點、一驅動帶及一偏移帶之一項實施例之一方塊圖；圖2A係根據本發明之用以量測圖1B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2B係根據本發明之用以量測圖1C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3A係根據本發明之包含圖1A之磁阻感測器之一磁阻感測器系統之一項實施例之一方塊圖；圖3B係處於第二諧波模式之一模擬輸出；圖4係根據本發明之一磁阻感測器及驅動帶之一項實施例之一方塊圖；圖5及圖6係根據本發明之包含圖4之磁阻感測器之磁阻感測器系統之實施例之方塊圖；圖7係根據本發明之一磁阻感測器、驅動帶及偏移帶之 一項實施例之一方塊圖；圖8及圖9係根據本發明之包含圖7之磁阻感測器之磁阻感測器系統之實施例之方塊圖；且圖10係根據本發明之用以量測一磁場之一方法之一項實施例之一流程圖。
8‧‧‧磁阻感測器系統
10‧‧‧多層MR感測器/磁阻感測器/感測器/例示性磁阻感測器/磁性感測器
70‧‧‧驅動帶/驅動場帶
80‧‧‧偏移帶
150‧‧‧偵測電路
200‧‧‧頻率產生器/產生器
210‧‧‧分頻器
220‧‧‧帶通濾波器
221‧‧‧放大器
222‧‧‧低通濾波器
230‧‧‧相位敏感偵測器
400‧‧‧參考層磁化
420‧‧‧易磁化軸/自由層易磁化軸
421'‧‧‧自由層磁化
421"‧‧‧自由層磁化
430‧‧‧驅動電流/交變驅動電流
435‧‧‧偏移電流
440‧‧‧磁性驅動場/振盪磁性驅動場/週期性磁性驅動場/交變磁性驅動場
445‧‧‧偏移場/偏移磁場
450‧‧‧所施加磁場/低頻率磁場/外部施加之磁場/場/受偵測之磁場/DC磁場/外部磁場/欲量測之磁場/所施加磁性驅動場
460‧‧‧參考信號
f‧‧‧頻率
Happlied‧‧‧所施加磁場/低頻率磁場/外部施加之磁場/場/磁場/DC磁場/外部磁場/欲量測之磁場/DC場/所施加場/受偵測之磁場
Hdrive(f)‧‧‧磁性驅動場/振盪磁性驅動場/交變磁性驅動場/週期性磁性驅動場
Hoffset‧‧‧偏移磁場/偏移場
Idrive(f)‧‧‧交變驅動電流/驅動電流
ioffset‧‧‧偏移電流/電流
Vout‧‧‧輸出電壓/輸出/輸入信號
X‧‧‧軸方向
Y‧‧‧軸方向
β1‧‧‧角度
β2‧‧‧角度

Claims (3)

  1. 一種用以偵測一磁場的磁阻感測器系統(3)，該磁阻感測器系統包括：一磁阻感測器(10)，其包括具有一可切換之磁化定向之一鐵磁自由層(60)、具有一釘紮之磁化定向之一鐵磁參考層(50)及其間之一障壁層(55)；一驅動帶(70)，其上覆該磁阻感測器以攜載一交變驅動電流idrive(f)；一頻率產生器(200)，其用以將該交變驅動電流供應至該驅動帶；及一偵測電路(150)，其用以接受將正自該磁阻感測器輸出的一輸出電壓作為一輸入，且用以輸出指示該輸出電壓之一第二諧波分量之一帶正負號振幅之一信號，該輸出電壓之該第二諧波分量之該帶正負號振幅與正被偵測之該磁場成比例。
  2. 如請求項1之磁阻感測器系統(5)，其進一步包括：一回饋電路(160)，其用以將一空值電流(inulling 415)提供至上覆該磁阻感測器(10)之該驅動帶(70)，以產生與正被偵測之該磁場(Happlied 450)相反之一空值磁場(Hnull 425)。
  3. 如請求項1之磁阻感測器系統，其進一步包括：一偏移帶，其垂直於該驅動帶以攜載垂直於該驅動電流之一偏移電流；及一絕緣層，其定位於該驅動帶與該偏移帶之間。
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