专利名称：磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁场传感器。具体的，本发明涉及用于磁场零相交检测的AMR(各向异 性磁电阻)传感器应用，以及要求最佳线性的其他磁场传感器应用。
背景技术：
磁传感器在各个产业中变得日益重要。尤其是在汽车产业传感器中，为了提供舒 适性和安全性，在现代汽车中可以发现各种传感器，例如停车传感器、角度传感器、ABS(自 动制动系统)传感器以及胎压传感器。磁传感器在汽车应用中尤其重要，因为磁场更容易 穿透大多数材料。与例如光学传感器不同，磁传感器也对灰尘极其不敏感。目前有几种不同的磁传感器技术可用，例如基于霍尔效应或磁电阻效应的传感 器。各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)传感器是基于磁电阻效应的传感器类型的具 体实例。霍尔效应传感器可以被单片集成到集成电路中，这使得集成电路更廉价，但是这种 传感器的低灵敏度和由此产生的不准确性也是众所周知的。尽管AMR传感器具有比霍尔效 应传感器高得多的灵敏度，AMR传感器需要更多的制作步骤，因为它们不能被单片集成，使 得整个传感器系统更加昂贵。通常在单独的管芯上或单片结构的顶部上溅射M8tlFe2tl来沉 积AMR传感器。经常采用退火工艺(有时在磁场中)提高在磁电阻材料的磁状态的稳定性。GMR传感器典型地具有比AMR传感器更高的灵敏度。然而，GMR传感器包括各种薄 层和重要的界面。制作这种传感器所需的技术是相当复杂并且昂贵的。此外，由于构成GMR 传感器的多个薄层，工作温度范围也受限制。因此，在磁传感器应用中，作为折中，通常选择 AMR传感器。在图1左边中描述出AMR传感器(101)。向AMR传感器供给感测电流Isense，该感 测电流Ise■可以从例如与电阻R串联的参考电压提取。在图1右边(102)中示出了 典型的AMR传递函数，定义为随所施加(或外部)磁场Hext而变化的AMR传感器电阻RMK。 传递函数关于y轴对称，因此在Hrait的零相交附近具有消失的灵敏度。这严重地妨碍了零 场相交(zero-field crossings)的精确检测对于这种对称传递曲线，电子噪声和其他的 干扰电子信号在Hrart = 0处或周围时具有很大影响。解决这个问题的一种已知方法是在AMR传感器的顶部增加一个线圈，见图2左边 (201) 0当通过线圈驱动DC电流(Ibias)时，在AMR传感器中产生一个附加磁场Hbias。现在， AMR传感器的偏置点在AMR传递函数上已经从0(20 移至HbiasQ03)，见图2右边。现在， AMR在零Hext处是灵敏的，并且AMR传感器对正弦Hrart的响应可能看起来如图2右边所描述 的那样。不幸的是，由于一般由DC偏置获得的不是完全的反对称传递曲线，所以在正和负 的半周期中的差异是很明显的。因此，外部场的零相交与传感器的电阻的平均值不一致。 所以，这个平均值不能用于检测零磁场相交。而且，从与这个平均AMR电阻水平获得实际零 磁场相交的偏差取决于外部场的幅度(并且也取决于偏置场的大小、传递曲线的形状等)。 这妨碍了从单个AC AMR输出信号检测零磁场相交的稳健而可靠。
因为传递曲线不是完全反对称的(大约在点203)，所以产生偶数阶失真分量。也 就是说，如果向传感器施加正弦场Hrart，在AMR传感器输出电阻上的频谱分析(FFT)不仅会 显示来自完全反对称传递曲线的奇次谐波，也会显示由传递曲线的(偏移的)对称特性产 生的一些偶次谐波。解决这些问题的一种已知方法是利用AMR传感器中的barber电极(barber poles)。这些电极强制电流按照一定方向在传感器中流动。barber电极型传感器元件的缺 点是在元件中的各处磁化翻转时输出曲线改变其符号，例如由于大磁场尖峰信号(field spike)。这将会导致对施加的磁场的符号的错误理解。如果元件小部分翻转，则导致降低的 灵敏度。当这个效果在两个元件中不相等时(最有可能)，为导致非完全反对称输出(NOT purely anti-symmetric output)，以及这导致零相交的“失真”。上述的错误状态可能是永 久的，直到发生下一个大磁场脉冲。因此，需要其中可以更容易地以及更可靠地检测零点相交的AMR传感器配置。
发明内容
根据本发明，提供一种AMR传感器，包括至少第一和第二 AMR传感器元件；用于向第一 AMR传感器元件施加第一 DC偏置场以及向第二 AMR传感器元件施加 相反的第二 DC偏置场的装置；以及用于组合第一和第二 AMR传感器元件的输出以获得传感器响应的装置，该传感器 响应在接近零外磁场的区域中实质上是反对称的。该配置偏移AMR传感器元件的零检测点而远离响应曲线的最大值，以获得在零输 入场邻近的灵敏度。为了克服响应不是反对称的问题，组合来自(至少)两个传感器元件 的信号。用于施加DC偏置的装置优选地提供具有沿着第一敏感方向的分量的第一 DC偏置 场以及具有沿着相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置场。用于施加DC偏置的装置可以包括紧邻传感器元件的一个线圈或多个线圈(例如 每个传感器元件一个线圈，或多个传感器元件上覆盖一个线圈)。用于组合的装置可以实现为电路配置，例如可以包括具有串联的第一和第二传感 器元件的电路配置，在传感器元件之间的节点处限定输出电压。以这种方式，输出电压与传 感器元件的电阻之间的差异相关。差分放大器可以用于从电桥测量输出电压。这从提供电桥的电压源建立了高抑制噪声。在另一实例中，电路配置有与差分放大器的输入端子连接的第一和第二传感器元 件。 可以存在着按照两个并行电路分支设置的两对AMR传感器元件。这能够改善差分感测。例如第一分支可以包括向其施加第一DC偏置场的第一AMR传感器元件，以及向其施加 第二 DC偏置场的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件和第二 AMR传感器元件从高电 源端子至低电源端子串联；以及
第二分支可以包括向其施加第二DC偏置场的第一AMR传感器元件，以及向其施加 第一 DC偏置场的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件和第二 AMR传感器元件从高电 源端子至低电源端子串联。待检测的外磁场优选地沿着AMR传感器元件的最敏感方向对准，例如与每一个 AMR传感器元件垂直。本发明也提供一种AMR感测方法，包括向第一 AMR传感器元件施加第一 DC偏置场；向第二 AMR传感器元件施加相反的第二 DC偏置场；以及组合第一和第二 AMR传感器元件的输出以获得传感器响应，该传感器响应在接近 零外磁场的区域中实质上是反对称的。
现在将参考附图详细说明本发明的实例，其中图1示出了已知的AMR传感器以及典型的AMR传递函数；图2示出了在顶部添加线圈的图1中的传感器以及改变的AMR传递函数；图3示出了本发明的AMR传感器的第一实例以及传递函数；图4示出了设置为差分传感器的图3中的传感器的传递函数；图5示出了具有一个可能的读出电路的图3中的传感器；图6示出了具有相关读出电路的本发明的AMR传感器的第二实例，以及图7示出了采用按照电桥配置设置的四个AMR元件的本发明的AMR传感器的第三 实例。
具体实施例方式本发明提供具有向其施加相反的偏置场的至少两个AMR传感器元件的AMR传感 器。第一和第二 AMR传感器元件的输出被组合以获得传感器响应，该传感器响应在接近零 外磁场的区域中实质上是反对称的。以这种方式，可进行零相交的检测。强输出的结果是在外磁场的正和负的半周期 之间形状没有差异。例如，当图3中示出的两个180°偏移的输出信号彼此相减时，消除了在正和负的 半周期中的差异。在图3左边中，相对应的两个传感器(301+302)串联设置，并且连接至DC 参考电压和接地，以向其提供感测电流Ismse。通过在两个AMR传感器顶部放置单个线 圈或两个独立的线圈可以产生局部偏置场。线圈电流Ibias在上部AMR中产生场+Hbias并在 下部AMR中产生-Hbias (反之亦然)。DC偏置场的至少一个分量与AMR传感器的敏感方向平行。与AMR元件的最长尺 寸(longest dimension)平行的DC偏置场的可能的其他分量对元件的额外稳定性可能是 有用的。外磁场优选地沿着最敏感的方向，即通常与元件的最长尺寸垂直。两个传感器都具有相反的偏置点。传感器301具有偏置点303，并且传感器302具 有偏置点304。现在在外磁场中的零相交即Hrart = O时，两个AMR电阻彼此相交。当提供给两个传感器相同的感测电流，两个传感器信号之间的差异通过差分放大器放大时，则强输 出信号的零对应于外磁场的零零相交是“无失真的”。这种差分AMR传感器的另一个优点是温度漂移和其他常见的干扰信号被强烈抵 消。在图4001)中示出了传感器组合的传递函数。在图中，对于不同的线圈电流，示 出输出电压v。ut。对于零偏置电流(曲线I1),灵敏度为零，因为两个AMR传感器在AMR曲 线的顶部(相同的偏置点)时没有灵敏度。如果对两个传感器增加一个外磁场，则两个传 感器的AMR电阻相等，并且半桥的输出将总是0.5V&。在增加线圈电流(分别是曲线I2至 I5)时，灵敏度也变得更大，因为偏置点向AMR曲线的陡峭的部分偏移。对于非常大的线圈 电流，灵敏度再次降低，因为偏置点偏移至几乎没有或完全没有灵敏度的AMR曲线的平坦 的部分，但是这些没有在图4中示出。图4的传递函数是完全反对称的(或奇数阶)，这意味着其零相交不是“失真的”， 即与Hext中的零相交一致。此外，AMR半桥的传递函数在零附近呈线性，这意味着对于小正 弦场Hrart，半桥的输出将是几乎没有失真的正弦波形。在根据本发明的配置中，AMR传感器的磁化的完全翻转不是问题(与barber电极 方法相反)，因为AMR电阻值在完全翻转之前和之后是相同的(在没有施加平行于元件的最 长尺寸的DC偏置场分量时如此)。在图5中示出了一个可能的读出电路。用V。ut表示的AMR半桥输出端子连接至差 分放大器(501)的一个输入端子。放大器的另一个输入端子连接至电阻分压器(502)的中 间，输出参考电压的一半。由此，通过相等的两个半桥抑制在电源上的噪声。在图6中示出了图5中的两个传感器的其他可能的电路实现，其中第一和第二传 感器元件并联，相应的输出电压提供给差分放大器。采用单独的电阻器、2个单独的电流源或者可以向AMR传感器提供感测电流的任 何其他设备(601)，向两个AMR传感器提供感测电流(如图所示)。此外，AMR传感器的另 一(较低)侧可以连接至地或任意DC电压。只要Hbias具有与Hrart平行的部分，就可以以任 意方式偏置AMR传感器。AMR传感器顶部的线圈可以以各种方式连接。可以采用在芯片上 的两个分别连接的线圈或者串联的两个线圈，只要通过线圈的电流方向使得电流在两个传 感器的位置处产生与Hext平行的相反的偏置场分量。线圈也可以并联连接。在图7中示出一个“完全差分”(truly differential)配置。在这个全桥中采用 了四个AMR传感器。线圈电流以这种方式连接两个AMR半桥在相反的偏置点处工作。当 相邻的元件受到相反的偏置场时，可以获得合适的桥特性，参见图7中的偏置场符号。在这个设计中，第一分支包括向其施加第一 DC偏置场的第一 AMR传感器元件，以 及向其施加第二 DC偏置场的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件和第二 AMR传感器 元件从高电源端子至低电源端子串联；并且，第二分支包括向其施加第二 DC偏置场的第一 AMR传感器元件，以及向其施加第一 DC偏置场的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件 和第二 AMR传感器元件从高电源端子至低电源端子串联。与采用仅仅两个AMR的半桥相比，该四个AMR的桥配置提高了整个配置的灵敏度 达两倍因子。差分放大器的两个输入端子可以直接连接至两个半桥的两个输出。在该四个 传感器的桥中，在任何情况下可以获得全桥的所有四个元件的最佳相等。由此桥具有最佳的共模抑制比(除了其最大输出)，使得所有类型的常见错误(如温度漂移、电源噪声等) 得到最佳抑制。没有给出各个AMR传感器元件的详细设计，因为这些完全是常规的。AMR传感器 元件是基于材料特性工作的器件，其中可以观察到电阻与电流方向和磁场方向之间的夹 角的的相关性。这种效应是由于沿着磁化方向的传导电子的s-d散射的较大的概率。净 效应是当电流方向与磁化方向平行时，电阻具有最大值。在一些铁磁铀化合物(uranium compounds)中，可以观察到高达50%的AMR效应。各种改变对本领域的熟练技术人员是显而易见的。
权利要求
1.一种AMR传感器，包括至少第一和第二 AMR传感器元件(301、302)；用于向第一 AMR传感器元件施加第一 DC偏置场(Hbias)以及向第二 AMR传感器元件 施加相反的第二 DC偏置场(-Hbias)的装置；以及用于组合第一和第二 AMR传感器元件的输出以获得传感器响应的装置，该传感器响应 在接近零外磁场的区域中实质上是反对称的。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中用于施加DC偏置的装置提供具有沿着第一敏感 方向的分量的第一 DC偏置场(Hbais)以及具有沿着相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置 场(-Hbias)ο
3.根据权利要求1所述的传感器，其中用于施加DC偏置的装置包括紧邻传感器元件 (301,302)的一个线圈或多个线圈。
4.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其中用于组合的装置包括具有串联的第 一和第二传感器元件(301、302)的电路配置，在传感器元件(301、30幻之间的节点处限定 输出电压(Vout)，使得该输出电压取决于传感器元件(301、302)的电阻之间的差异。
5.根据权利要求4所述的传感器，包括差分放大器(501)，用于参照参考电压测量输出 电压。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中用于组合的装置包括具有第一和 第二传感器元件的电路配置，第一和第二传感器元件连接至差分放大器的输入端子。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，包括按照两个并行的电路分支设置的 至少两对AMR传感器元件。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中第一分支包括向其施加第一 DC偏置场(Hbias)的第一 AMR传感器元件，以及向其施加 第二 DC偏置场(-Hbias)的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件和第二 AMR传感器 元件从高电源端子(U至低电源端子串联；以及第二分支包括向其施加第二 DC偏置场(-Hbias)的第一 AMR传感器元件，以及向其施 加第一 DC偏置场(Hbias)的第二 AMR传感器元件，第一 AMR传感器元件和第二 AMR传感器 元件从高电源端子(U至低电源端子串联。
9.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其中待检测的外磁场沿着AMR传感器元件 (301、302)的最敏感方向对准。
10.根据权利要求9所述的系统，其中在零磁场相交期间的外磁场与每一个AMR传感器 元件实质上垂直地对准。
11.根据前述权利要求任一项所述的传感器，还包括基于与零相交的传感器响应而检 测零相交的装置。
12.—种AMR感测方法，包括向第一 AMR传感器元件(301)施加第一 DC偏置场(Hbais)；向第二 AMR传感器元件(302)施加相反的第二 DC偏置场(-Hbais)；以及组合第一和第二 AMR传感器元件的输出以获得传感器响应，该传感器响应在接近零外 磁场的区域中实质上是反对称的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中施加DC偏置包括提供具有沿第一敏感方向的分量的第一 DC偏置场(Hbias)；以及 提供具有沿相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置场(-Hbias)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述组合包括提供串联的第一和第二传感器元件(301、302)，在传感器元件之间的节点处限定输出 电压(Vout)，使得该输出电压取决于传感器元件的电阻之间的差异。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，包括基于与零相交的传感器响应而检测零 相交。
全文摘要
一种AMR传感器，包括向其施加相反的偏置场的至少第一和第二AMR传感器元件。第一和第二AMR传感器元件的输出被组合以获得传感器响应，该传感器响应在接近零外磁场的区域中实质上是反对称的。该配置偏移AMR传感器元件的零检测点而远离响应曲线的最大值，以获得在零输入场邻近的灵敏度。为了克服响应不是反对称的问题，组合来自(至少)两个传感器元件的信号。
文档编号G01R33/09GK102073023SQ201010543819
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月9日 优先权日2009年11月19日
发明者亚普·鲁伊戈罗克, 安德烈亚斯·伯纳德斯·玛丽亚·扬斯曼, 罗伯特·亨里克斯·玛格丽塔·范费尔德温 申请人:Nxp股份有限公司