专利名称：在二次谐波检测模式下使用磁阻传感器感测弱磁场的方法
在二次谐波检测模式下使用磁阻传感器感测弱磁场的方法
背景技术：
磁性隧道结(MTJ)具有大约百分之百(100’s of% )的高磁阻率(S卩，(Rfflax-Rfflin)/Rfflin= AR/R)并且目前用于测量中至高水平的磁场。磁性隧道结还具有高1/f噪声。在低频率处的高噪声密度阻碍了使用MTJ测量在低于kHz级别的频率处的低水平磁场。
发明内容
本申请针对一种测量磁场的方法。该方法包括将交变驱动电流施加至覆盖磁阻传感器的驱动带(drive strap)以使磁阻传感器的工作点移动到低噪声区。通过交变驱动电流在磁阻传感器内产生交变磁驱动场。当待测磁场被叠加在磁阻传感器内的交变磁驱动场上时，该方法进一步包括提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量。待测磁场与所提取的二次谐波分量的带符号幅值(amplitude)成比例。所请求保护的发明的各种实施例的细节在下文结合附图和描述进行阐述。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征和优点将是明显的。
图1A是根据本发明的多层磁阻(MR)传感器和驱动带的一个实施例的框图；图1B是根据本发明的磁性隧道结(MTJ)、电接触(electrical contact)、和驱动带的一个实施例的框图；图1C是根据本发明的巨磁阻(GMR)传感器、电接触、驱动带、和偏移带(offsetstrap)的一个实施例的框图；图2A是根据本发明的用于测量图1B中的磁性隧道结的输出电压的电路的一个实施例的框图；图2B是根据本发明的用于测量图1C中的巨磁阻器的输出电压的电路的一个实施例的框图；图3A是根据本发明的包括图1A中的磁阻传感器的磁阻传感器系统的一个实施例的框图；图3B是在二次谐波模式下的模拟输出；图4是根据本发明的磁阻传感器和驱动带的一个实施例的框图；图5和图6是根据本发明的包括图4中的磁阻传感器的磁阻传感器系统的实施例的框图；图7是根据本发明的磁阻传感器、驱动带、和偏移带的一个实施例的框图；图8和9是根据本发明的包括图7中的磁阻传感器的磁阻传感器系统的实施例的框图；图10是根据本发明的用于测量磁场的方法的一个实施例的流程图。在各附图中相同的参考数字和标记代表相同的部件。
具体实施例方式磁阻(MR)传感器用于磁罗盘、磁异常检测、轮齿感测等，即可用在其中必须感测磁场的微小值、或地磁场的微小变化的任何应用中。磁通门和超导量子干涉设备(SQUID)是能够测量磁场的微小值或磁场中微小变化的大体积(bulk level)磁传感器。芯片级磁阻传感器可以以低成本制造并且因此比大体积磁阻传感器有优势。各向异性磁阻(AMR)传感器、GMR传感器和MTJ传感器在芯片级制造。GMR和MTJ叠层包括具有可切换磁化方向的铁磁自由层、具有固定磁化方向的铁磁参考层、以及位于它们之间的阻挡层。各向异性磁阻器(AMR)具有大约为2-3%的磁阻率AR/R。巨磁阻器有利地提供大约百分之十(10’s of% )的更高磁阻率AR/R。磁性隧道结(MTJ)提供甚至大约百分之百(100’ s of% )的更高的磁阻(MR)率。芯片级GMR或MTJ传感器的另一个优点是它们的小尺寸。例如，多层磁阻传感器(GMR或MTJ)可具有大约几十至几百nm的尺寸。因此，覆盖100_150nm宽的MTJ的200nm宽的金属线具有32 u Amp/0e的“场转换因子”，并且微米宽的线具有159 u Amp/0e的场转换因子。因此，通过施加适度的电流至这样的传感器来产生用于使被适当构建的多层磁阻传感器的自由层开关或饱和所需的场，所述传感器使用需要适度功耗的专用集成电路(ASIC)。然而，多层磁阻传感器的噪声功率谱密度(包括1/f和巴克豪森噪声分量)高于AMR传感器的噪声功率谱密度。对于发生在低频率处的磁性变化，1/f噪声起主要作用，因此多层磁阻传感器的较高磁阻率并未转化成相应较高的信噪比。为了使这种传感器的高磁阻率转化成低的最小可检测场(mdf)或噪声等效场分辨率(noise equivalent fieldresolution)，提高信噪(SN)比是重要的。在高于1/f噪声与频率关系图的拐点的频率处，信噪(SN)比增加。第二噪声源，巴克豪森(Barkhausen)噪声,可通过使用在此描述的闭环技术或偏移技术减少。此处将描述用于改进多层磁阻传感器的信噪比的系统和方法的实施例。此处描述的传感器系统利用磁性隧道结和/或巨磁阻器的独特特性，所述独特特性以高分辨率能够实现低成本和低功耗。此处使用的术语多层MR传感器既指磁性隧道结传感器又指巨磁阻器传感器，其具有比AMR传感器更大的磁阻率。此处描述的系统和方法可供AMR传感器使用，但是AMR传感器的低磁阻率限制了这样的基于AMR的系统的优势。图1A是根据本发明的多层MR传感器10和驱动带70的一个实施例的框图。绝缘体65和驱动带70覆盖磁阻传感器10。绝缘层65位于铁磁自由层60和覆盖驱动场带70之间。下面将参考附图3A和4-9描述驱动带70的功能。多层MR传感器10包括自下而上堆叠的反铁磁体(AFM) 20、合成反铁磁体(SAF) 11、阻挡层55、和自由层60。合成反铁磁体11包括自下而上堆叠的铁磁钉扎层(ferromagnetic pinned layer) 30、Ru层40、和参考层50。此处也称该“阻挡层55”为“阻挡体55”。如果传感器10是磁性隧道结传感器，则阻挡体55为氧化物绝缘阻挡体。如果传感器10是GMR传感器，则阻挡体55是导电非磁性金属层。参考层50的参考层磁化400在适当设计的AFM/SAF结构中是“固定”的，即，施加的磁场(达到高水平，典型地为 kOe)不会明显改变参考层磁化400。因此，参考层50被称作硬层。在图1A中示出的示例性磁阻传感器10中，参考层50的参考层磁化400平行于Y轴。
参考层50直接位于阻挡体55的下面，阻挡体55将参考层50与自由层60分离。自由层60具有易轴420。磁驱动场Hd,ive (f) 440和任何施加的磁场Happlied450很容易改变自由层60的磁化。因此，自由层60被称为软层。对于线性传感器，自由层60的易轴420被设计为垂直于参考层磁化400。在图1A中示出的示例性磁阻传感器10中，自由层60的易轴420平行于X轴。易轴420是自由层60的所有磁相互作用的净和。如本领域技术人员所知，在设置钉扎层30之后，以低于设置钉扎层30所用的温度的温度来穿过形状各向异性或穿过该结的场退火来设置自由层易轴420。如果在不同于易轴420的方向的方向上向自由层60施加低频磁场Happlied450,则自由层磁化从易轴420朝着所施加的磁场旋转远离。由交变驱动电流产生的磁驱动场Hteive(f)和外部施加的磁场Happlied450的作用将在下面参考图3A和3B描述。外部施加的磁场Happliel450是要被磁传感器10测量的场。它可以是弱DC磁场或在比驱动频率f低得多的低频率处变化的弱磁场。AFM20典型地由合金诸如NiMn，PtMn，IrMn或FeMn制造。通过在kOe级别的场中在范围大约为200°C _350°C的温度下退火SAF/AFM 11/20几个小时来在钉扎层30上创建交换偏置(exchange bias)。这设置了 AFM 20中的位于AFM 20和钉扎层30之间的界面处的未补偿自旋的方向，因此为钉扎层30提供了偏置场。钉扎层30和参考层50之间的强反铁磁I禹合将参考层磁化400的方向设置与钉扎层磁化405的方向相反。SAF 11的净磁化被调整成几乎为零。因此，需要大约几kOe的高施加场来改变钉扎层/参考层对30/50的磁化。磁阻传感器10的灵敏轴垂直于自由层易轴420。根据公式R( 9 )=R0+A Rd-cos 0 )/2，磁阻传感器10的阻抗R是参考层磁化400和自由层磁化之间的夹角的函数，其中9是参考层磁化和自由层磁化之间的夹角。因此，如果只有场Happli6d450被施加到传感器，在这个施加场的影响下自由层磁化的旋转将针对这个场的小值产生磁阻的线性传递函数，cos(0)随着场Happlied线性变化。图1B是根据本发明的磁性隧道结14、电接触27和28、和驱动带70的一个实施例的框图。磁性隧道结(MTJ) 14是如图1A中示出的磁阻传感器10。图1A中示出的阻挡层55是磁性隧道结14中的氧化物阻挡层56。非磁性帽层(cap layer)61覆盖磁性隧道结14的自由层(FL) 60。电接触(底部引线)27覆盖硅(Si)衬底25上的绝缘体26。覆盖电接触27的非磁性种子层22用于促进AFM层20的生长。电接触(顶部引线)28覆盖帽层61。绝缘层72将电接触28与驱动带70隔离。电接触27和28被配置用于将磁性隧道结14连接至一个电路，以测量磁性隧道结14的磁阻R(0)。如图1B所示，电流从底部引线(电接触27)指向顶部引线(电接触28)。图2A是根据本发明的用于测量图1B中的磁性隧道结14的输出电压Vwt的电路90的一个实施例的框图。在本实施例的一个实施方式中，另一个绝缘层和偏移带覆盖磁性隧道结14的驱动带70。图1C是根据本发明的GMR传感器13，电接触128和129，驱动带70，和偏移带80的一个实施例的框图。GMR 13是图1A中示出的多层磁阻传感器10。图1A中示出的阻挡层55是非磁性导电层57 (诸如，Cu层57)。巨磁阻器13能够在电流在平面内(CIP)模式下工作。覆盖绝缘体26的种子层22用于促进AFM层20的生长。非磁性帽层61覆盖巨磁阻器13的自由层60。两个电接触(引线I和2) 128和129覆盖帽层60的相对边缘部分。电接触128和129通过绝缘层73彼此分离。绝缘层73还将电接触128和129与驱动带70隔离，驱动带70由绝缘层71覆盖。偏移带80覆盖绝缘层71。偏移带80的作用将在下面参考图7、8和9进行描述。电接触128和129被配置用于将磁阻传感器10连接至一电路以测量巨磁阻器13的磁阻。如图1C所示，电流从引线I (电接触128)指向引线2 (电接触129)。图2B是根据本发明的用于测量图1C中的巨磁阻器13的输出电压Vout的电路91的一个实施例。在这个实施例中的一个实施方式中，没有覆盖巨磁阻器13的偏移带80。在这个实施例的另一个实施方式中，如本领域所公知的，巨磁阻器13被配置用于在电流垂直平面(CPP)模式下工作。图3A是根据本发明的包括图1A中的磁阻传感器10的磁阻传感器系统3的一个实施例的框图。磁阻传感器系统3包括磁阻传感器10，驱动带70，检测电路150，频率发生器200，和分频器210。磁阻传感器10作为置于驱动带70之下的虚线框示出并且是磁性隧道结或者巨磁阻器。检测电路150包括带通滤波器220和相敏检测器230。相敏检测器230的输出被输入到低通滤波器222。输出电压Vwt通过放大器221从磁阻传感器10输出至检测电路150。带通滤波器220将感测电压输出至相敏检测器230。相敏检测器230输出表示二次谐波分量的幅值和符号的信息。包括输出电压的二次谐波分量的符号的该幅值与被检测的磁场Happlied450成比例。所述“包括二次谐波分量的符号的幅值”在此处也被称作“二次谐波分量的带符号幅值”或“带符号的幅值”。如图1A所示，磁阻传感器10包括具有可切换磁化方向的铁磁自由层60、具有钉扎的磁化方向(参考层磁化400)的铁磁参考层50、和位于两者之间的阻挡层55。覆盖磁阻传感器10的驱动带70被可操作地配置成载送交变驱动电流idHv6 (f)，交变驱动电流以频率f交变。在图3A中，频率发生器200通过分频器210提供交变驱动电流至驱动带70。频率发生器200产生以2f频率交变的参考信号并输出该信号给分频器210。频率发生器200还输出以2f频率交变的该信号至相敏检测器230。分频器210将以2f频率交变的该信号分成两半并输出频率为f的交变驱动电流i<wTC(f)给驱动带70。如本领域技术人员所公知的，还有其它可用于将频率为f的交变驱动信号ItwvJf)施加至驱动带70的技术。为了方便观察磁阻传感器10中的场，用于将磁阻传感器10连接至一电路的引线在图1A中未示出。驱动电流iWve(f)，其在图1A中以驱动带70中的双箭头标记430示出，产生磁驱动场Htwve (f)，磁驱动场Htwve (f)在图1A中用圆形双箭头标记440示出。该磁驱动场Htwv6(f)440延伸至自由层60中，其在图1A中用双箭头标记440示出。因为磁驱动场Htwve (f) 440在土Y方向上振荡，所以自由层磁化周期性地旋转远离自由层易轴420 (图1A)以平行于自由层60中的磁场(即，平行或反向平行于正Y轴)。振荡磁驱动场Hwve(f)440将磁阻传感器10的操作点移动超过1/f功率谱密度曲线的拐点，以利用MTJ或GMR的高A R/R的优势。因此，振荡磁驱动场Htwve (f) 440有利地允许磁阻传感器系统3实现高信噪t匕，或者相反地，检测微小的最小可检测场(mdf)。磁阻传感器10 (磁性隧道结14或巨磁阻器13)提供自由层的磁感应和阻抗之间的传递函数，这样可在检测电路150中实施电压测量。具体地，在驱动电流idHTC(f)的范围内(其幅值足够高以使得自由层60饱和、但也足够低以使得参考层50基本上不受影响)，自由层磁化421沿着Y轴从正饱和到负饱和从而在磁阻传感器10中产生周期性的阻抗变化。如图3A中的磁传感器10的顶视图所示，在第一时间tl的自由层磁化421’与参考层磁化400之间的夹角为β I并且，在时间t2，自由层磁化421”与参考层磁化400之间的夹角为β2。当只有周期性驱动电流被施加到磁阻传感器10，并且沿着Y轴没有DC (或低频)磁场Happlied450时，磁阻传感器10的理想输出只包括f的倍数的奇次谐波。当待测外部磁场Happli。d450被施加到磁阻传感器10时，待测磁场Happlied450被叠加在磁阻传感器10内的交变磁驱动场Hdiive(f)上，并且磁阻传感器10的输出发展了偶次谐波分量。最低阶偶次谐波是频率2f处的二次谐波分量。这种情况下，自由层60中的磁场包括振荡磁驱动场Htoive (f) 440和外部施加的磁场450,外部施加的磁场将被磁传感器10检测。检测电路150提取磁阻传感器10的输出Vrat的二次谐波分量。相对于施加的磁驱动场Happlied450绘制的二次谐波分量的带符号幅值，是磁阻传感器10的传递函数。对于平行于Y轴的Happlied的小值(Happlied << Hdrive的幅值)，二次谐波的带符号幅值与DC场Happlied成比例。通过在超过Ι/f噪声曲线的拐点的频率f处驱动传感器，磁阻传感器10的信噪比高于磁阻传感器在接近零频率下工作时的信噪比。频率发生器200输出不包括任何二次谐波分量的频谱上单纯的驱动波形。如果在驱动电流LivJf)中存在偶次谐波分量，即使在没有所施加场的情况下输出Vwt中也将存在偶次谐波分量(所谓的零点偏移)。如果频率发生器200没有产生频谱上单纯的驱动波形，则检测电路输出处的零点偏移可由用户进行校准。图3B是二次谐波模式下的模拟输出。交变磁驱动场Htoive (f) 430用虚正弦线示出。在阅读和理解了本文后对本领域技术人员来说可以理解，除了纯正弦之外的周期性波形可用于磁驱动场Htoive(f)。由于自由层60的M-H回路的非线性，交变磁驱动场Htoive(f)430导致接近方形的输出Vwt波形470。此处描述的磁阻传感器10的小尺寸允许使用原位带(in-situ strap)以非常适度的电流和功耗来将磁阻传感器10从正饱和驱动至负饱和。当所施加的平行于Y轴的DC磁场Happlied叠加在交变磁驱动场Httove (f)上时，产生一个稍微失真的波形480 (与原波形470相比)。差波形490只具有偶次谐波并且二次谐波分量的幅值与施加的平行于Y轴的DC磁场Happlied成比例。上述操作是针对参考层磁化400沿着Y轴固定，并且自由层易轴420平行于X轴的情况而描述的。在自由层易轴420平行于Y轴时，二次谐波操作同样适用，即，在没有入射在磁阻传感器10上的施加场Happlied的情况下(即磁阻传感器10的零状态)，自由层磁化平行或反向平行于参考层磁化400。现在参考图3A，检测电路150将从磁阻传感器10输出的输出电压Vrat作为输入，并且确定输出电压Vrat的二次谐波分量的带符号幅值。带通滤波器220将从磁阻传感器10输出的经放大的输出电压Vwt作为输入，并且将围绕2f的窄频率范围内的该感测电压传至相敏检测器230。相敏检测器230将来自带通滤波器220的围绕2f的窄频率范围内的感测电压作为输入，并且还将来自发生器200的以频率2f交变的参考信号作为输入。相敏检测器230产生包括DC分量的电压，所述DC分量与输出电压Vrat的二次谐波分量的带符号幅值成比例。因为相敏检测器230接收来自发生器200的以频率2f交变的参考信号460作为输入，混叠效应可能会导致从相敏检测器230输出非DC分量。因此，使相敏检测器230的输出通过低通滤波器222以去除任何非DC分量。以这种方式，检测电路150确定输出电压Vwt的二次谐波分量的幅值和符号。包括输出电压的二次谐波分量的符号的幅值与被检测的磁场Happlied450成比例。如图3A所示，磁阻传感器系统3的部件被集成在硅衬底25上。在本实施例的一个实施方式中，磁阻传感器10和驱动带70被集成在硅衬底25上而其他部件不在芯片上。图4是根据本发明的磁阻传感器10和驱动带70的一个实施例的框图。图5和6分别是磁阻传感器系统5和6的实施例的框图，包括根据本发明的图4中的磁阻传感器10。在本实施例的一个实施方式中，磁阻传感器10是磁性隧道结，诸如，例如，图1B中示出的磁性隧道结14。在本实施例的另一个实施方式中，磁阻传感器10是巨磁阻器，诸如，例如，图1C中示出的巨磁阻器13。图4中的驱动带70与图1A中的驱动带70的不同之处在于归零电流inulling415在正X方向上施加。该归零电流inulling415在自由层60产生指向正Y方向的磁零点场Hnull415。为了方便观察磁阻传感器10内的场，将磁阻传感器10连接到电路的引线未在图4中示出。如图5所示，磁阻传感器系统5包括磁阻传感器10，驱动带70，放大器221，检测电路150，低通滤波器222，频率发生器200，分频器210，和反馈电路160。在这个系统中驱动带70被用于使磁阻传感器10在闭环模式下工作。反馈电路160包括放大器233和积分器237。反馈电路160向覆盖磁阻传感器10的驱动带70提供归零电流inulling415，以便产生与被检测的磁场(Happli。d450)反向的归零磁％Hnull425。反馈电路160将来自相敏检测器230的信号330作为输入并输出归零电流inulling415至驱动带70。信号330与带符号的二次谐波分量成比例。相敏检测器230将信号330输出至放大器233，放大器233对来自相敏检测器230的信号330进行放大。放大器233的输出被输入到积分器237,积分器237积分经放大的信号330以产生归零电流inulling415，归零电流inulling415与提取的二次谐波分量的幅值成比例。作为积分器237的输出的归零电流inulling415输入到驱动带70。归零电流inumng415产生归零磁场Hnull425，归零磁场Hnull425与磁阻传感器10中要测量的磁场HappI ied450 反向。如图5所示，表示输出电压Vrat的二次谐波分量的带符号幅值的信息被发送至反馈电路160，如本领域人员所公知的，反馈电路160由放大器233和积分器237组成。如所示，反馈电路产生归零电流inulling415。可通过测量稳定串联电阻器R1两端的电压降来测量归零电流inulling415。归零电流415或串联电阻器R1两端的对应电压降与Happlied成比例。如图5所示，归零电流inulling415产生等于并且与施加的磁场Happlied450反向的归零磁场 Hnull425。因此，二次谐波信号330被放大、积分并用作反馈电流(即，归零电流inulling415)来抵抗(buck)位于同一驱动带70上的外部施加磁场Happlied450,所述驱动带70用于施加磁驱动场Htwve (f) 440。假设施加的磁场Happlied450和磁驱动场Hteive (f) 440的时间尺度(timescales)很好地分离，即，施加的磁场Happlied450是低频或接近DC。以这种方式，自由层60磁化仅有的漂移是由周期性磁驱动场Hdnve(f)440引起的。当磁阻传感器10感测一定范围的施加场时自由层60的磁化状态没有DC漂移，这是因为任何施加的磁场Happlied450都被归零磁场Hnull425抵消。该反馈减少了巴克豪森噪声使得磁阻传感器10的信噪比大大提高，并且同样增加了磁阻传感器10的动态范围。图6的磁阻传感器系统6与图5中的磁阻传感器系统5具有相同功能。图6的磁阻传感器系统6和图5中的磁阻传感器系统5的结构不同之处在于:检测电路150被数字处理器250代替。数字处理器250接收来自磁阻传感器10的输出电压Vtjut作为输入，并接收来自发生器200的以频率2f交变的参考信号460作为输入。数字处理器250从磁阻传感器10输出的输出电压Vrat提取二次谐波分量。数字处理器250产生与输入信号Vwt的二次谐波分量的带符号的幅值成比例的电压。如上参考图5所描述的，反馈电路160的输出是Inulling，其被施加到驱动带70。在本实施例的一个实施方式中,放大器位于磁阻传感器10和数字处理器250之间。
图7是根据本发明的磁阻传感器10，驱动带70，和偏移带80的一个实施例的框图。图8和9分别是磁阻传感器系统8和9的实施例的框图，其包括根据本发明的图7中的磁阻传感器10。如图7-9所示，偏移带80覆盖驱动带70。图8示出的磁阻传感器系统8的结构和图3A示出的磁阻传感器系统3的不同之处在于磁阻传感器10被偏移带80覆盖。图9示出的磁阻传感器系统9的结构和图6的磁阻传感器系统6的不同之处在于磁阻传感器10被偏移带80覆盖。绝缘层71使偏移带80和驱动带隔离。为了方便观察磁阻传感器10中的场，将磁阻传感器10连接到电路的引线在图7中未示出。这本实施例的一个实施方式中，磁阻传感器10是磁性隧道结，诸如，例如图1B中示出的磁性隧道结14。在本实施例的另一个实施方式中，磁阻传感器10是巨磁阻器，诸如，例如图1C中示出的巨磁阻器13。在本实施例的又另一个实施方式中，驱动带70覆盖偏移带80并且通过绝缘层71与偏移带80分离。图7中的驱动带70与图1A中示出的驱动带70在结构和功能上类似。偏移带80与驱动场带70垂直并且工作时载送垂直于驱动电流id,ive430的偏移电流1&^435。偏移带80在磁阻传感器10内产生偏移磁场Htjffset，偏移磁场Htjffset直于待测磁场Happlied450。当其被周期性磁驱动场Hdiive (f) 440驱动时，偏移带80控制自由层60的磁化的动态。虽未示出生成irffset35的电流源，但是其可以是已知电流源中的任何一种。自由层60的磁化(自由层磁化421)的动态取决于自由层60和磁阻传感器10的尺寸、高宽比、和其它材料属性(晶粒尺寸、缺陷密度、4πΜ3)。对更大的磁阻传感器10 ( > I μ m)，在从一个饱和状态到相反饱和状态的转换期间磁化的动态包括畴壁动态(domain wall dynamics)。畴壁介导(mediated)转换通常包括巴克豪斯跳跃,其为巴克豪森噪声的源。对于尺寸小于 I μ m的磁阻传感器10，自由层60通过成核作用和磁通涡旋(magnetic vortice)的传播从一个饱和状态转换到相反的饱和状态。对小或大的尺寸，在适当条件下自由层磁化的动态可包括“一致转动(coherent rotation) ”,在这种情况下巴克豪森噪声降低。通过保持偏移场11。 #445来确保自由层磁化421的一致转动，偏移场U50通过在磁阻传感器10工作期间向偏移带80施加偏移电流if-435而产生。偏移电流ioffset435的幅度通过检查磁阻传感器10的输出波形的质量来根据经验确定。因为该多层磁阻传感器10具有这样的小尺寸，驱动带70和偏移带80可在适度的电流值和功率值下工作。如图8所示，如上参考图3A所描述的，磁阻传感器系统8包括放大器221和检测电路150。如图9所示，如上参考图6所描述的，磁阻传感器系统9包括检测电路151和反馈电路160。在本实施例的一个实施方式中，放大器位于磁阻传感器10和数字处理器250之间。图10是根据本发明的用于测量磁场Happlied的方法1000的一个实施例的流程图。方法1000可应用于上面分别参考图3A，5，6，8和9描述的磁阻传感器系统3，5，6，8，和9。在块1002，施加交变驱动电流idHve(f)至覆盖磁阻传感器10的驱动带70以使磁阻传感器10的工作点移动到低噪声区。所述低噪声区位于1/f 噪声谱中的拐点的上方。在本实施例的一个实施方式中，施加交变驱动电流UivJf)至覆盖磁性隧道结14(图1B)的驱动带70以使磁性隧道结的工作点移动到低噪声区。在本发明实施例的另一个实施方式中，施加交变驱动电流Uiv6 (f)至覆盖巨磁阻传感器13 (图1C)的驱动带70以使巨磁阻传感器的工作点移动到低噪声区。通过交变驱动电流iWv6(f)在磁阻传感器10中产生交变磁驱动场Htwv6 (f)。所述交变驱动电流ItwvJf)按照如下方式施加到驱动带70:将初始频率2f的信号从频率发生器200输出给分频器210 ;将初始频率2f的信号分频成两半以产生驱动频率f的信号；并且将驱动频率f的信号输入到驱动带70。交变驱动电流idHTC(f)以驱动频率f交变。驱动频率f是初始频率2f的一半。当待测磁场Happlie450被叠加在磁阻传感器10内的交变磁驱动场Htive (f)上时执行块1004。在块1004，提取磁阻传感器10的输出的二次谐波分量。在本实施例的一个实施方式中，磁阻传感器10的输出的二次谐波分量按照下面方式提取:将输出电压Vrat从磁阻传感器10输出到数字处理器250 ;在数字处理器250处对输出电压进行傅里叶分解；将初始频率的参考信号从频率发生器200输入至数字处理器250;并且提取初始频率(2f)的经 傅里叶分解的输出电压的二次谐波分量。然后从数字处理器250输出表示所提取的输出电压Vrat的二次谐波分量的带符号幅值的信号。图6和9中示出的磁阻传感器系统6和9分别被配置为以这种方式提取磁阻传感器10的输出的二次谐波分量。在本实施例的另一个实施方式中，磁阻传感器10的输出的二次谐波分量以下述方式提取:在带通滤波器220处对来自磁阻传感器的输出电压进行滤波；将带通滤波器220的输出(感测电压)输入到相敏检测器230 ;将初始频率2f的参考信号从频率发生器200输入到相敏检测器230 ;在相敏检测器230处提取经滤波的输出电压的二次谐波分量；并且从相敏检测器230输出表示所提取的输出电压的二次谐波分量的带符号幅值的信号。图5和8中示出的的磁阻传感器系统5和8分别被配置为以这种方式提取磁阻传感器10的输出的二次谐波分量。块1006和块1008是可选的。块1006和1008中的一个或两个可以在磁阻传感器
系统的实施例中实施。在可选块1006中，施加偏移电流至偏移带80，所述偏移带80覆盖驱动带70或位于驱动带70之下并且垂直于驱动带70。偏移带80在磁阻传感器10内产生偏移磁场^ #445。偏移磁场1^—445垂直于待测磁场Happlied450。偏移磁场Htjffse^S减少或消除了巴克豪森噪声。在可选块1008中，施加归零电流inulling15至驱动带70以在磁阻传感器10内产生归零磁场Hnull425。归零磁场Hnull425与待测磁场Happlied450平行且反向。归零磁场Hnull425减少了巴克豪森噪声并增加了传感器的动态范围。在本实施例的一个实施方式中，施加归零电流inulling415至驱动带70以在磁阻传感器10内以下述方式产生归零磁场Hnull425:由放大器233对具有初始频率的二次谐波信号放大；在积分器237对经放大的二次谐波信号进行积分以产生与所提取的二次谐波分量的带符号幅值成比例的归零电流inulling415 ;并且将该归零电流inulling415从积分器237输入到驱动带70。以这种方式，在磁阻传感器10内产生与待测磁场Happlied450反向的归零磁场Hnull425。图5，6和9中的磁阻传感器系统5，6，和9在工作时分别以这样的方式施加归零电流inulling415至驱动带70。磁阻传感器系统3、5、6、8和9中的每一个在工作时都通过向覆盖磁阻传感器10的驱动带70施加交变驱动电流idHve (f)来测量磁场(包括弱DC磁场)，因此通过交变驱动电流idHve(f)在磁阻传感器10内产生交变磁驱动场Htive (f)。施加到驱动带70的交变驱动电流id,ive(f)将磁阻传感器10的工作点移动到低噪声区。当待测磁场Happlied450叠加在磁阻传感器10内的交变磁驱动场Httove (f) 440上时，提取磁阻传感器10的输出的二次谐波分量。确定二次谐波分量的幅值。待测场Happlied50与所提取的二次谐波分量的包括符号的幅值成比例。如果偏移带80垂直于驱动带70以载送电流Lffsrt,巴克豪森噪声将被减少或消除。如果驱动带70工作在闭环使得归零电流inulling415也施加到驱动带70，则减少了巴克豪森噪声。如图9所示，磁阻传感器系统9使用偏移带80和反馈电路161这二者来减少巴克豪森噪声。此处描述的磁传感器的各种实施例工作在二次谐波检测模式下以感测DC或低频的弱磁场。在实施例中，二次谐波检测电路和反馈电路的一些或所有功能被集成在其上制造了 MTJ或GMR的相同硅芯片上。此处描述的磁阻传感器可用于罗盘，作为导航辅助，用于从远处目标诸如车辆的磁异常检测，或者以阵列形式用于电路板或集成电路制造中的伪造或木马检测。示例性实施例示例I包括测量磁场的方法，所述方法包括:施加交变驱动电流至覆盖磁阻传感器的驱动带以使磁阻传感器的工作点移动到低噪声区，其中通过交变驱动电流在磁阻传感器内产生交变磁驱动场；当待测磁场叠加在磁阻传感器内的交变磁驱动场时，提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量，其中待测磁场与提取的二次谐波分量的带符号幅值成比例。示例2包括示例I中的方法，进一步包括施加偏移电流至偏移带，所述偏移带覆盖驱动带或位于驱动带之下并且垂直于驱动带，其中偏移带在磁阻传感器内产生垂直于待测磁场的偏移磁场。示例3包括示例I或2的方法,进一步包括:施加归零电流至驱动带以在磁阻传感器内产生归零磁场，归零磁场与待测磁场平行且反向。示例4包括示例1-3的任一方法,进一步包括:施加归零电流至驱动带以在磁阻传感器内产生归零磁场，归零磁场与待测磁场平行且反向。示例5包括示例1-4的任一方法,其中施加交变电流至驱动带包括:从频率发生器输出具有初始频率的信号至分频器；对具有初始频率的信号进行分频以产生具有驱动频率的信号，驱动频率是初始频率的一半；并将具有驱动频率的信号输入到驱动带，其中交变驱动电流以驱动频率交变。
示例6包括示例1-5的任一方法，其中提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量包括:从磁阻传感器输出一输出电压至数字处理器；并且在数字处理器对该输出电压进行傅里叶分解；从频率发生器输入具有初始频率的参考信号到数字处理器；并提取具有初始频率的经傅里叶分解的输出电压的二次谐波分量，该方法进一步包括:输出表示所提取的输出电压的二次谐波分量的带符号幅值的信号。示例7包括示例1-6的任一方法,进一步包括:对表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号进行放大；对表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的经放大的信号进行积分以产生与提取的二次谐波分量的幅值成比例的归零电流；输入该归零电流至驱动带，其中在磁阻传感器内产生与待测磁场反向的归零磁场。示例8包括示例1-5中的任一方法，其中提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量包括:在带通滤波器对来自磁阻传感器的输出电压进行滤波；将带通滤波器的输出输入到相敏检测器；从频率发生器输入具有初始频率的参考信号至相敏检测器；并且在相敏检测器提取经滤波的输出电压的二次谐波分量，该方法进一步包括:输出表示所提取的输出电压的二次谐波分量的带符号幅值的信号。示例9包括示例8的方法,进一步包括:对表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号进行放大；对表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的经放大的信号进行积分以产生与提取的二次谐波分量的幅值成比例的归零电流；并输入该归零电流至驱动带，其中在磁阻传感器内产生与待测磁场反向的归零磁场。示例10包括示例1-9的任一方法，其中施加交变驱动电流至覆盖磁阻传感器的驱动带以使磁阻传感器的工作点移动到低噪声区包括如下之一:施加交变驱动电流至覆盖磁性隧道结的驱动带以使磁性隧道结的工作点移动到低噪声区；或者施加交变驱动电流至覆盖巨磁阻传感器的驱动带以使巨磁阻传感器的工作点移动到低噪声区。示例11包括用于检测磁场的磁阻传感器系统，磁阻传感器系统包括:磁阻传感器，其包括具有可切换的磁化方向的铁磁自由层，具有钉扎的磁化方向的铁磁参考层，和位于两者之间的阻挡层；驱动带，其覆盖磁阻传感器，以载送交变驱动电流；频率发生器，用于将交变驱动电流提供至驱动带；检测电路，用于输入从磁阻传感器输出的输出电压并且输出表示输出电压的二次谐波分量的带符号幅值的信号，输出电压的二次谐波分量的带符号幅值与待测磁场成比例。示例12包括示例11的磁阻传感器系统,进一步包括:反馈电路，用于提供归零电流至覆盖磁阻传感器的驱动带以产生与待测磁场反向的归零磁场。示例13包括示例12的磁阻传感器系统，其中检测电路包括:带通滤波器，用于输入从磁阻传感器输出的输出电压；和相敏检测器，用于输入来自带通滤波器的感测电压并输入来自频率发生器的参考信号，并且其中反馈电路包括:放大器，用于对从相敏检测器接收的表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号进行放大；和积分器，用于对表示带符号幅值的经放大信号进行积分并且输出归零电流至驱动带。示例14包括示例11-12的任一磁阻传感器系统，其中检测电路包括:数字处理器，用于提取经傅里叶分解的输出电压的二次谐波分量并输出表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号，并且其中反馈电路包括:放大器，用于对从数字处理器接收的表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号进行放大；和积分器，用于对表示带符号幅值的经放大的信号进行积分并输出归零电流至区动带。示例15包括示例11-14的任一磁阻传感器系统,进一步包括:绝缘层，其位于铁磁自由层和覆盖驱动场带之间。示例16包括示例11-15的任一磁阻传感器系统，进一步包括:偏移带，其垂直于驱动场带以载送垂直于驱动电流的偏移电流；和绝缘层，其位于驱动场带和偏移带之间。示例17包括示例16的磁阻传感器系统，其中磁阻传感器，驱动带，偏移带，频率发生器，和检测电路被集成在硅衬底上。示例18包括示例11-16的任一磁阻传感器系统，其中磁阻传感器，驱动带，频率发生器，和检测电路被集成在硅衬底上。示例19包括示例11-18的任一磁阻传感器系统，其中磁阻传感器是磁性隧道结或巨磁阻器中的一种。示例20包括用于检测磁场的磁阻传感器系统，该磁阻传感器系统包括:磁阻传感器，其包括具有可切换的磁化方向的铁磁自由层，具有钉扎的磁化方向的铁磁参考层，和位于两者之间的阻挡层；驱动带，其覆盖磁阻传感器以载送具有驱动频率的交变驱动电流；频率发生器，用于将交变驱动电流提供至驱动带；数字处理器，在工作时:从频率发生器输入具有为驱动频率的两倍的初始频率的参考信号，对输出电压进行傅里叶分解，并提取经傅里叶分解的输出电压的二次谐波分量，以及输出表示所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号；放大器，用于对表示从数字处理器接收的所提取的二次谐波分量的带符号幅值的信号进行放大；和积分器，用于对表示带符号幅值的经放大的信号进行积分并输出归零电流至驱动带；以及位于积分器的输出端的串联电阻器，其中串联电阻器两端的电压降与待测磁场成比例。由下述权利要求定义的本发明的多个实施例已经被描述。然而，可以理解在不偏离所要求的发明的精神和范围的情况下，能够针对所描述的实施例做出各种修改。例如，可使用外部线圈来代替驱动带产生交变驱动电流并且可使用外部线圈来代替偏移带产生偏移电流。又例如，驱动带和/或偏移带可形成在磁阻传感器的AFM层之下。相应地，其它实施例包括在下述权利要求的范围内。
权利要求
1.一种测量磁场(450)的方法,该方法包括: 施加交变驱动电流(430)至覆盖磁阻传感器(10)的驱动带(70)以使磁阻传感器的工作点移动到低噪声区，其中通过交变驱动电流在磁阻传感器内产生交变磁驱动场(440)；当待测磁场叠加在磁阻传感器内的交变磁驱动场上时，提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量，其中待测磁场与所提取的二次谐波分量的带符号幅值成比例。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括施加偏移电流(435)至偏移带(80)，所述偏移带(80)覆盖驱动带(70)或者位于驱动带(70)下，并且垂直于驱动带，其中偏移带在磁阻传感器内产生垂直于待测磁场(450)的偏移磁场(445)。
3.根据权利要求1或2的方法，进一步包括施加归零电流(415)至驱动带(70)以在磁阻传感器(10)内产生归零磁场(425)，所述归零磁场与待测磁场(450)平行且反向。
全文摘要
本发明涉及在二次谐波检测模式下使用磁阻传感器感测弱磁场的方法。提供一种测量磁场的方法。该方法包括将交变驱动电流施加至覆盖磁阻传感器的驱动带以使磁阻传感器的工作点移动到低噪声区。通过交变驱动电流在磁阻传感器内产生交变磁驱动场。当待测磁场被叠加在磁阻传感器内的交变磁驱动场上时，该方法进一步包括提取磁阻传感器的输出的二次谐波分量。待测磁场与所提取的二次谐波分量的带符号幅值成比例。
文档编号G01R33/09GK103149542SQ201210544108
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月2日 优先权日2011年11月4日
发明者B·B·潘特 申请人:霍尼韦尔国际公司