一种低功耗磁电阻开关传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种低功耗磁电阻开关传感器，包括内部参考电压电路、复用器、磁电阻电桥电路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路和数字输出电路；内部参考电压电路一端接地，其另一端电连接于电源稳压电路的输出端；比较电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于电源稳压电路，另一端接地，比较电路具有一个或多个输入端和一个或多个输出端，且比较电路的一个或多个输出端与数字控制电路中的一个输入端电连接；磁电阻电桥电路一端与电源稳压电路的输出端电连接，其另一端接地，磁电阻电桥电路的输出端与比较电路的一个输入端电连接。所述低功耗磁电阻开关传感器具有灵敏度高、功耗低、响应频率高、体积小、温度特性好的优点。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器【技术领域】，特别涉及一种低功耗磁电阻开关传感器。 一种低功耗磁电阻开关传感器
【背景技术】
[0002] 磁性开关传感器广泛用于消费电子、白色家电、三表（电表、水表、气表）、汽车以 及工业应用领域。目前，主流的磁性开关传感器有霍尔传感器和AMR(各向异性磁阻）传感 器。在消费电子和三表应用领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗可达几微安，其 工作频率为十几赫兹，其开关点为几十高斯。霍尔开关传感器和AMR开关传感器在消费电 子和三表应用领域的低功耗是通过牺牲其工作频率获得的。在汽车和工业应用等需要高工 作频率的领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗为毫安级，其工作频率为千赫兹 级。
[0003] 近年来，以MTJ (磁隧道结）元件为敏感元件的新型磁电阻传感器开始应用于工业 领域。MTJ元件利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应，主要表现在：在磁性多层膜材 料中，随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化。在消费电子和三表 等低功耗应用领域，以MTJ元件为敏感元件的开关传感器在工作频率为千赫兹级时的功耗 为微安级，开关点为十几高斯；在汽车、工业应用等需要高工作频率的领域，以MTJ元件为 敏感元件的开关传感器的工作频率可达兆赫兹级，其功耗仅为微安级。
[0004] 在技术应用中，磁性开关设备的一些技术说明是众所周知的。美国专利 2010/0026281A1公开了一种包括两个传感器的梯度仪，该梯度仪包括测量磁性目标的位置 传感器和速度传感器。申请号为201110125153. 5的中国专利申请公开了一种以MTJ元件 为敏感元件的磁性开关传感器。本申请以上述两件专利为参考。
[0005] 现有技术中的开关传感器，其在休眠和工作状态的功耗都较高，且其工作频率较 低。因此，需要一种在休眠和工作状态均具有高灵敏度、低功耗、高响应频率、体积小的开关 传感器。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种磁电阻开关传感器。
[0007] 本发明提供的磁电阻开关传感器包括内部参考电压电路、复用器、磁电阻电桥电 路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路和数字输出电路；
[0008] 所述参考电压电路一端接地，其另一端电连接于所述电源稳压电路的输出端；
[0009] 所述比较电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于所述电源稳压电路，另一 端接地，所述比较电路具有一个或多个输入端和一个或多个输出端，且所述比较电路的一 个或多个输出端与所述数字控制电路中的一个输入端电连接；
[0010] 所述磁电阻电桥电路一端与所述电源稳压电路电连接，其另一端接地，所述磁电 阻电桥电路的输出端与所述比较电路的一个输入端连接；
[0011] 所述复用器被所述数字控制电路控制，所述复用器用于决定所述参考电压电路的 哪些输出端与所述比较电路的一个输入端电连接；
[0012] 所述数字控制电路的运行状态随内部逻辑状态和输入信号的变化而变化，且所述 数字控制电路与所述复用器和所述数字输出电路电连接。
[0013] 优选地，在所述磁电阻电桥电路和所述参考电压电路与所述比较电路中间设有一 低通滤波电路，所述低通滤波电路的输入端与所述磁电阻电桥电路的输出端和所述参考电 压电路的输出端电连接，所述低通滤波电路的输出端与所述比较电路的输入端电连接，所 述低通滤波电路用于减弱在截止频率以上的电压。
[0014] 优选地，所述电源稳压电路的输出电压VBias小于电源电压。
[0015] 进一步地，所述比较电路包括一个或多个比较器电源开关，所述比较器电源开关 用于决定哪些电流源与所述比较电路的电源端电连接，所述电流源还与所述电源稳压电路 电连接，所述比较器电源开关被所述数字控制电路控制。
[0016] 优选地，所述数字控制电路为数字控制系统的一部分。
[0017] 进一步地，所述数字控制系统包括多个逻辑运行模式和外加磁场的触发条件。
[0018] 再进一步地，所述数字控制系统的输出依赖于磁场，所述数字控制系统的输出具 有双极开关特性、单极开关特性或者全极开关特性。
[0019] 优选地，所述磁电阻电桥电路包括第一磁电阻元件和第二磁电阻元件，且第一磁 电阻元件和第二磁电阻元件电连接构成一推挽半桥。
[0020] 进一步地，所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件各包括一个或多个串联和 /或并联的MTJ元件。
[0021] 进一步地，所述推挽半桥的敏感方向与所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元 件的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。
[0022] 优选地，所述数字输出电路包括锁存和驱动电路以及输出级，所述锁存和驱动电 路的输入端与所述数字控制电路的输出端电连接，所述锁存和驱动电路的输出端与所述输 出级电连接。
[0023] 本发明具有如下有益效果：
[0024] 本发明的磁电阻开关传感器利用MTJ元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感 应，具有灵敏度高、功耗低、响应频率高、体积小、温度特性好的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中 所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
[0026] 图1为现有技术的MTJ元件的多层膜结构示意图；
[0027] 图2为现有技术的MTJ元件的电阻与外加磁场之间的关系曲线图；
[0028] 图3为现有技术中的推挽半桥磁阻传感器的示意图；
[0029] 图4为推挽半桥磁电阻传感器在两种不同温度下的输出电压与外加磁场之间的 关系曲线图；
[0030] 图5为模拟参考电压和桥式电路的示意图；
[0031] 图6为双极型和单极型磁电阻开关传感器的模拟过滤器和比较器的电路图；
[0032] 图7为双极型和单极型磁电阻开关传感器的电路图；
[0033] 图8为双极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图； [0034] 图9为单极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；
[0035] 图10为推挽桥式磁阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；
[0036] 图11为全极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；
[0037] 图12为根据本发明优选实施例的全极型磁电阻开关传感器的模拟过滤器和比较 器的电路图；
[0038] 图13为根据本发明优选实施例的全极型磁电阻开关传感器的电路图；
[0039] 图14为根据本发明优选实施例的全极型磁电阻开关传感器操作的时序图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图及实施例对本发明的
【发明内容】
作进一步的描述。
[0041] 实施例
[0042] 如图1所示，现有技术的MTJ(磁隧道结）元件为纳米级的多层膜结构。MTJ元件 包括反铁磁层1、磁性被钉扎层2、非磁性氧化物层3和磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁 矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直或呈一定角度。磁性自由层4的磁矩方向 6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。MTJ元件的工作原理为：MTJ元件的电阻随 着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。当磁 性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时，MTJ元件的电阻 也随之变化。
[0043] 如图2所示，当外加磁场7的方向与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，且外加磁 场7的磁场强度大于H1时，磁性自由层4的磁矩方向6与外加磁场7的方向平行，从而导 致磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，这时MTJ元件的电阻 最小。当外加磁场7的方向与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，且外加磁场7的强度 大于H2时，磁性自由层4的磁矩方向6与外加磁场7的方向平行，从而导致磁性自由层4 的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，这时MTJ元件的电阻最大。H1与H2 之间的磁场范围就是MTJ元件的测量范围。
[0044] 本发明采用以下方式或以下方式的组合对磁性自由层的磁矩方向进行偏置，实现 磁性自由层的磁矩方向与磁性被钉扎层的磁矩方向垂直或呈一定角度：在磁性自由层的上 层或下层沉积一层反铁磁层，利用反铁磁层与磁性自由层之间的交换耦合作用对磁性自由 层的磁矩方向进行偏置；通过磁性自由层与磁性被钉扎层之间的奈尔耦合作用对磁性自由 层的磁矩方向进行偏置；在传感器上集成设置一用于将磁性自由层的磁矩方向偏置的电流 线圈，流过该电流线圈的电流方向与磁性被钉扎层的磁矩方向相同；磁性自由层的磁矩方 向被其附近的永磁铁偏置。
[0045] 如图3所示，现有技术中的推挽式半桥MTJ开关传感器包括第一磁电阻元件11、第 二磁电阻兀件 12 和 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片 13。其中， ASIC芯片13与第一磁电阻元件11和第二磁电阻元件12相适配，且第一磁电阻元件11和 第二磁电阻元件12均为感应元件，二者电连接构成一推挽半桥。第一磁电阻元件11和第 二磁电阻元件12各包括一个或多个MTJ元件，且第一磁电阻元件11或第二磁电阻元件12 的MTJ元件串联和/或并联。MTJ元件为纳米级的多层膜结构，其中包括磁性自由层和磁性 被钉扎层。第一磁电阻元件11的磁性自由层的磁矩121与第二磁电阻元件12的磁性自由 层的磁矩122的方向反平行。第一磁电阻元件11的磁性被钉扎层的磁矩111与第二磁电 阻元件12的磁性被钉扎层的磁矩112的方向反平行。第一磁电阻元件11的磁性被钉扎层 的磁矩111与其磁性自由层的磁矩121的方向相互垂直，且第二磁电阻元件12的磁性被钉 扎层的磁矩112与其磁性自由层的磁矩122的方向相互垂直。推挽半桥的敏感方向70与 第一磁电阻元件11和第二磁电阻元件12的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。当沿着推挽半 桥的敏感方向70有外加磁场时，推挽半桥的一个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向会 趋向于与其磁性被钉扎层的磁矩方向平行，导致该磁电阻元件的电阻降低；与此同时，推挽 半桥的另一个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向会趋向于与其磁性被钉扎层的磁矩方 向反平行，导致该磁电阻元件的电阻升高，从而导致推挽半桥的输出电压V OTT (在后面的文 字描述和附图中，VTOT=VBHdge)的变化。推挽半桥的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图， 如图4所示。
[0046] ASIC芯片13用于为所述推挽半桥提供稳恒电压VDD (下面的文字描述和图中用 VBias表不)，并用于将推挽半桥输出的电压信号转换为开关信号。ASIC芯片13可以根据不 同的技术需求输出不同的开关信号，例如ASIC芯片13可以输出如图8所示的双极开关信 号、如图9所示的单极开关信号或如图11所示的全极开关信号。
[0047] 上述实施例和图1、图2、图3作为背景信息提供，它们都来自于申请号为 201110125153. 5的中国专利申请，现将其作为参考。
[0048] 在高温和低温两种情况下，推挽半桥的输出电压和外加磁场之间的关系曲线，如 图4所示，其中高温与低温之间的温度范围为本实施例的磁电阻开关传感器的工作温度极 限范围。在本实施例中，高温例如为l〇〇°C，简写为HT;低温例如为0°C，简写为LT。图4中 的曲线35对应于图2中的曲线，但是图4中的磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相对 于外加磁场7旋转了 180度。因此，推挽半桥的第一磁电阻兀件11的电阻与外加磁场的关 系曲线显示为负斜率，推挽半桥的第二磁电阻元件12的电阻与外加磁场的关系曲线显示 为正斜率，这正如图4中的推挽半桥的输出电压V Mdge的曲线所显示，在VMid24处达到平衡， 并且在与外加磁场的关系曲线中显示为正斜率。
[0049] 推挽半桥低温下的输出电压VMdge如实线曲线21所示，由曲线21可以看出，输 出电压￥^_由最小值V Min LT23逐步增大为最大值VMax LT25。推挽半桥的第一磁电阻元 件11和第二磁电阻元件12具有负的电阻温度系数（TCR:Temperature Coefficient of Resistance)和对应的负的温度系数电阻敏感度（TCRS:Temperature Coefficient of Resistance Sensitivity)。当采用推挽电桥结构时，相应的温度系数电压敏感度（TCV) 为-1000ppm/°C。这意味着当温度变化超过100°C时，对于固定的偏置电压V bias和外加磁场 7, Vfcidge的变化为-ΙΟ%。推挽半桥高温下的输出电压Vidge如虚线曲线22所示，由曲线22 可以看出，输出电压V BHdge由最小值VMinHT26逐步增大为最大值VMaxHT27。V bias的一半对应 曲线的中点VMid24。Vbias的值一般为IV，这样V Mid就是0. 5V。
[0050] 后面所描述的比较电路的输出取决于其输入端输入的两个电压信号，其中，一个 电压信号是图4中的推挽半桥87提供的输出电压V Mdge，另一个电压信号是由内部参考电 压电路提供的参考电压vKef。参考电压VKef的值由下文描述的数字控制电路来控制。参考电 压VKef的一种可能值为图4中显示的29,即南极工作点电压（V，），VKrf的另一种可能值为 图4中显示的28, S卩北极工作点电压（V^N)。在外加磁场为&PS-LT30时，推挽半桥的输出电 压VidgJ勺低温曲线21穿过南极工作点电压ν^29,同时在外加磁场为HW-LT31时，推挽 半桥的输出电压的低温曲线21穿过北极工作点电压VMN28。在外加磁场为Η<^-ΗΤ32 时，推挽半桥的输出电压的高温曲线22穿过南极工作点电压ν<^29,同时在外加磁场 为HqpN-HT33时，推挽半桥的输出电压V BHdge的高温曲线22穿过北极工作点电压VqpN28。
[0051] 这样，当外加磁场的绝对值大小与本实施例的磁电阻开关传感器的工作温度成正 比关系时，比较电路便发生电路转换。这种现象称之为"温度依赖性输出"，这种现象常常会 对传感应用造成不良影响。
[0052] 内部参考电压电路和推挽半桥的电路如图5所示，其中电桥的右半部分为磁电阻 电桥电路，即一推挽半桥，如虚线框87里所示。该推挽半桥87包括两个电阻56和56'，其特 性导致了图4中曲线21表示的输出电压V BHdge59。电桥的左半部分为内部参考电压电路，如 虚线框86里所示，该内部参考电压电路86包括10个串联的电阻131-140,且电阻131-140 的电阻值不随外加磁场的变化而改变。此内部参考电压电路86构成一个半桥，内部参考电 压电路86和推挽半桥87构成一个全桥。内部参考电压电路86包括7个电压输出端，该7 个电压输出端输出7种电压信号，其中6种电压信号可以作为相应的开关阈值，即：南极工 作点电压AVS、南极复位点电压V KPS、南极待机阈值点电压VSTS、北极工作点电压V^N、北极 复位点电压VKPN和北极待机阈值点电压V STN，此6种电压信号取自图5所示的连接节点，另 外一种电压信号为中点电压VMid。虚线框86和87中的组件可以整合到同一娃芯片上，或者 虚线框87里可以有一个或者多个含有磁电阻元件的芯片。一个芯片到另一个芯片的连接 可以通过焊线或其他常用方法实现。整个电路在接地点与V Bias63之间供电，其中VBias63是 由下文描述的电路控制的固定电压。
[0053] 单极型、双极型和全极型三种磁电阻开关传感器具有不同的表现和对应的南极参 考电压V KrfS值和磁场切换值，表1总结了阈值的名称和取值。这些值仅起代表作用，它们 可以根据特定的应用或者用户的具体要求而改变。只要外加磁场的取值在第一磁电阻元件 11和第二磁电阻元件12的活跃范围内，S卩非饱和范围内，并且参考电压V Kef小于VBias63,那 么表1给出的值就可以适用。以双极性开关传感器的取值为例，H QPS设置为VBias的59%，假 设VBias为IV，那么HmS就是590mV。当外加磁场为+300e时，便发生此转换。
[0054] 表1 :双极型、单极型和全极型磁电阻开关传感器电路中与VBias对应的参考电压和 磁场强度
[0055]
【权利要求】
1. 一种磁电阻开关传感器，其特征在于，该开关传感器包括内部参考电压电路、复用 器、磁电阻电桥电路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路和数字输出电路； 所述内部参考电压电路一端接地，其另一端电连接于所述电源稳压电路的输出端； 所述比较电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于所述电源稳压电路，另一端接 地，所述比较电路具有一个或多个输入端和一个或多个输出端，且所述比较电路的一个或 多个输出端与所述数字控制电路中的一个输入端电连接； 所述磁电阻电桥电路一端与所述电源稳压电路的输出端电连接，其另一端接地，所述 磁电阻电桥电路的输出端与所述比较电路的一个输入端电连接； 所述复用器被所述数字控制电路控制，所述复用器用于决定所述参考电压电路的哪些 输出端与所述比较电路的一个输入端电连接； 所述数字控制电路的运行状态随内部逻辑状态和输入信号的变化而变化，且所述数字 控制电路与所述复用器和所述数字输出电路电连接。
2. 如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，在所述磁电阻电桥电路和所 述内部参考电压电路与所述比较电路中间设有一低通滤波电路，所述低通滤波电路的输入 端与所述磁电阻电桥电路的输出端和所述参考电压电路的输出端电连接，所述低通滤波电 路的输出端与所述比较电路的输入端电连接，所述低通滤波电路用于减弱在截止频率以上 的电压。
3. 如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述电源稳压电路的输出电 压VBiaS小于电源电压。
4. 如权利要求3所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述比较电路包括一个或多 个比较器电源开关，所述比较器电源开关用于决定哪些电流源与所述比较电路的电源端电 连接，所述电流源还与所述电源稳压电路电连接，所述比较器电源开关被所述数字控制电 路控制。
5. 如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制电路为数字控 制系统的一部分。
6. 如权利要求5所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制系统包括多个 逻辑运行模式和外加磁场的触发条件。
7. 如权利要求6所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制系统的输出依 赖于磁场，所述数字控制系统的输出具有双极开关特性、单极开关特性或者全极开关特性。
8. 如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述磁电阻电桥电路包括第 一磁电阻兀件和第二磁电阻兀件，且第一磁电阻兀件和第二磁电阻兀件电连接构成一推挽 半桥。
9. 如权利要求8所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述第一磁电阻元件和所述 第二磁电阻元件各包括一个或多个串联和/或并联的MTJ元件。
10. 如权利要求8所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述推挽半桥的敏感方向与 所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。
11. 如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字输出电路包括锁存 和驱动电路以及输出级，所述锁存和驱动电路的输入端与所述数字控制电路的输出端电连 接，所述锁存和驱动电路的输出端与所述输出级电连接。
【文档编号】H03K17/95GK104065367SQ201310097268
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2013年3月20日
【发明者】钟小军 申请人:江苏多维科技有限公司