磁场传感器的制作方法
本申请要求于2017年7月5日提交的题为“磁场传感器”的美国临时申请no.62/528,872的权益，其全部公开内容用于所有目的通过引用并入本文。
本公开总体涉及电子学。特别地，本公开涉及磁场传感器。
背景技术：
本文所述类型的磁场方向检测器可以用于将磁场的方向分解成两个或多个扇区中的一个。这对解决使用磁铁的角度位置传感器跟踪物体旋转运动的模糊性很有用。这些物体可以包括例如方向盘、凸轮轴、曲轴、车轮/轮胎、轮毂、转子等。旋转信息可以用于防抱死制动系统，用于牵引力控制、发动机凸轮轴控制、点火和/或燃料喷射正时等。
磁场传感器可以感测磁场。差分磁场传感器可用于感测电流。例如，可以以这样的方式来布置两个磁敏元件，即它们为均匀场生成相同的输出信号并且为场梯度生成差分输出。
技术实现要素：
权利要求中描述的创新各自具有几个特征，其中没有任何一个特征完全负责其期望属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。
在一个方面中，公开磁场传感器。磁场传感器可包括布置为半桥的第一磁阻元件和第二磁阻元件。磁场传感器还可包括与所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件相邻的两个或更多个导体。两个或更多个导体被配置为承载偏置电流和补偿电流，使得所述偏置电流和所述补偿电流在沿与所述第一磁阻元件相邻的相同方向上流动，而所述偏置电流和所述补偿电流在沿与第二磁阻元件相邻的相反方向上流动。
在一些实施方案中，磁场传感器被配置为感测磁场。在一些实施方案中，磁场传感器被配置为感测差分磁场。
在一些实施方案中，两个或更多个导体包括配置为承载所述偏置电流的第一导体和配置为承载所述补偿电流的第二导体。在一些实施方案中，第一磁阻元件和第二磁阻元件包括在磁阻层中，并且其中所述第一导体和所述第二导体设置在所述磁阻层的相对侧上。
在一些实施方案中，第一磁阻元件包括位于所述磁场传感器两侧上的一对间隔开的子磁阻元件。
在一些实施方案中，磁场传感器还可包括：布置为第二半桥的第三磁阻元件和第四磁阻元件；和第二半桥补偿导体，被配置为承载第二半桥补偿电流。在一些实施方案中，磁场传感器还可包括：布置为第三半桥的第五磁阻元件和第六磁阻元件；和第三半桥补偿导体，被配置为承载第三半桥补偿电流。在一些实施方案中，磁场传感器被布置为在校准所述第三半桥的同时利用来自所述半桥和所述第二半桥的输出感测磁场。在一些实施方案中，两个或更多个导体包括配置为承载偏置电流的第一导体和配置为承载补偿电流的第二导体。第一导体和第二半桥补偿导体被配置为使得偏置电流和第二半桥补偿电流在与第三磁阻元件相邻的相同方向上流动，而偏置电流和第二半桥补偿电流在与第四磁阻元件相邻的相反方向上流动。第一导体和第三半桥补偿导体被配置为使得偏置电流和第三半桥补偿电流在与第五磁阻元件相邻的相同方向上流动，而偏置电流和第三半桥补偿电流流动在与第六磁阻元件相邻的相反方向上流动。
在一些实施方案中，两个或更多个导体可包括：第一导体，被配置为承载第一组合电流，该第一组合电流包括偏置电流和补偿电流的第一组合，其中所述偏置电流和所述补偿电流在相同方向上流动；和第二导体，被配置为承载第二组合电流，该第二组合电流包括偏置电流和补偿电流的第二组合，其中所述偏置电流和所述补偿电流在相反方向上流动。
在一些实施方案中，两个或更多个导体被布置为使得所述偏置电流和所述补偿电流都沿着所述第一磁阻元件的纵向方向流动。
在一些实施方案中，磁场传感器还可包括第三磁阻元件和第四磁阻元件。所述第一磁阻元件、所述第二磁阻元件、所述第三磁阻元件和所述第四磁阻元件被布置为全桥。
在一些实施方案中，补偿电流被配置为使半桥的输出的偏移接近零。在一些实施方案中，第一磁阻元件是各向异性磁阻元件。在一些实施方案中，补偿电流基于半桥的输出。
本公开的另一方面是磁场感测系统。磁场感测系统可包括磁场传感器。磁场传感器包括布置为半桥的第一磁阻元件和第二磁阻元件。磁场传感器还包括两个或更多个导体，被配置为承载偏置电流和补偿电流，使得所述偏置电流和所述补偿电流在与所述第一磁阻元件相邻的相同方向上流动，而所述偏置电流和所述补偿电流在沿与第二磁阻元件相邻的相反方向上流动。磁场感测系统还可包括偏置电流生成电路，被配置为产生所述偏置电流，使得所述偏置电流在操作期间翻转极性。磁场感测系统还可包括补偿电流生成电路，被配置为产生补偿电流。
在磁场感测系统的一些实施方案中，补偿电流生成电路被配置为在对应于所述偏置电流翻转极性的时间时的补偿电路的极性翻转。
在一些实施方案中，磁场感测系统还可包括组合电路，所述组合电路被配置为组合所述偏置电流和所述补偿电路以产生组合电流并且向所述磁场传感器提供所述组合电流。
本公开的另一方面公开一种检测磁场的方法。该方法包括：使用一个或多个偏置电流偏置半桥的第一磁阻元件和第二磁阻元件，使得所述第一磁阻元件相对于所述第二磁阻元件具有相反的场灵敏度。该方法还包括施加补偿电流来执行所述半桥的场补偿以进行线性化。该方法还包括与所述偏置和所述施加相关联，使用所述半桥检测磁场。
为了总结本公开，本文已经描述了创新的某些方面，优点和新颖特征。应该理解的是，根据任何特定实施例不一定可以实现所有这些优点。因此，创新可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现本文中可能教导或提出的其他优点。
附图说明
将参考附图仅以非限制性示例的方式描述本公开的实施例，其中：
图1是磁场方向检测器的实施例的示意图；
图2是图1所示的检测器的等效电路；
图3是沿图1的a-a'线的截面图；
图4是表示在各个磁阻的扰动磁场向测定方向的磁场中的矢量相加的矢量图。
图5是示出用于测量磁场与磁电阻器中的电流流动方向之间的方向的参考系的图；
图6是示出作为所测量的磁场相对于电流流动方向的角度的函数的电阻率变化的曲线图；
图7是磁场方向检测器的另一个实施例的平面图；
图8是用作构成实施例的象限检测器的扰动发生器的导体的平面图；
图9是图8的扰动发生器的平面图，其中磁阻的位置和它们的互连图示地叠加；
图10是示意地表示图9的磁阻电阻的扰动磁场的方向的图。
图11是示出对于每个象限来说磁场源自两个方向检测器的输出的图；
图12是另一个实施例的横截面，并且示出了扰动磁通量的相对方向；
图13是表示磁角度方向检测器中的磁阻传感器的方向不确定度的图；
图14示意性地示出了各向异性磁阻桥磁角传感器；
图15示意性地示出了双桥磁式角度位置传感器；
图16是表示两桥式磁角位置传感器的每个电桥上的输出电压与角度关系的曲线图；
图17是示出在信号处理已经发生之后在有限的角度范围内的双桥磁角传感器的单调输出的曲线图；
图18是扰动发生器的另一配置的示意性平面图；
图19是使用单个磁电阻器的磁场方向检测器的实施例的电路图；
图20是磁场传感器的一个实施例的示意图。
图21是差分磁场传感器的一个实施例的示意图。
图22是根据一个实施例的磁场传感器的横截面图。
图23示出了在制造阶段期间图22的磁场传感器的偏置导体。
图24示出了在偏置导体上形成的磁阻元件。
图25示出了连接在偏置导体上形成的磁阻元件的金属化层。
图26示出了在偏置导体、磁阻元件和金属化层的部分上形成的补偿导体。
图27是根据一个实施例的差分磁场传感器的示意图。
图28是根据另一实施例的差分磁场传感器的示意图。
图29是根据一个实施例的具有三个半桥和三个输出的差分磁场传感器的示意图。
图30a是表示纵轴表示图29的差分磁场传感器的外部磁场的电流和具有正弦曲线的横轴上的时间的曲线图。
图30b是曲线图，图30b是表示差分磁场传感器的第一偏置导体中的第一偏置电流的纵轴和横轴上的时间的曲线图。
图30c是表示差分磁场传感器的第二偏置导体的纵轴的第一偏置电流和横轴的时间的图。
图30d是表示差分磁场传感器的第3施力导体中的第1偏置电流的纵轴和横轴上的时间的图。
图31a是示出图29的差分磁场传感器随时间的第一输出和第二输出的电流差异的曲线图。
图31b是示出图29的差分磁场传感器随时间的第二输出和第三输出的电流差的曲线图。
图31c是表示图29的差分磁场传感器的第三输出和第一输出的电流随时间的差异的曲线图。
图32a是表示图29的差分磁场传感器中的校准时序的时序图。
图32b是表示图29的差分磁场传感器中用于校准的信号的时序图。
图32c示出了包括图29的磁场传感器的感测系统的输出电压。
图33是根据一个实施例的包括组合的偏置和补偿导体的差分磁场传感器的示意图。
图34是根据一个实施例的磁场感测系统的示意图。
图35是根据另一个实施例的磁场感测系统的示意图。
图36示出了根据一个实施例的电流测量系统。
具体实施方式
下文参考附图更全面地描述新颖系统，设备和方法的各个方面。然而，本公开的各方面可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于贯穿本公开所呈现的任何特定结构或功能。相反，提供这些方面使得本公开将是彻底和完整的，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。基于本文的教导，本领域技术人员应该认识到，本公开的范围旨在覆盖本文公开的新颖系统，装置和方法的任何方面，无论是独立于或与任何其他方面组合。例如，可以使用本文阐述的任何数量的方面来实现装置或实施方法。另外，范围旨在涵盖使用除了本文阐述的各个方面之外的或者不同于本文阐述的各个方面的其他结构，功能或结构和功能来实践的这样的装置或方法。应该理解，本文公开的任何方面可以通过权利要求的一个或多个元素来实施。
尽管在此描述了特定方面，但是这些方面的许多变化和置换落入本公开的范围内。虽然提到了优选方面的一些益处和优点，但是本公开的范围并非旨在限于特定益处、用途或目标。相反，本公开的各方面旨在广泛地适用于各种系统和技术，其中一些在附图中以及在下面对优选方面的描述中以举例的方式示出。详细描述和附图仅仅是对本公开的说明而非限制，本公开的范围由所附权利要求及其等同物来限定。
在本说明书中，参考了附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的元件。应该理解，附图中示出的元件不一定按比例绘制。此外，将理解的是，某些实施例可以包括比图中所示的元件和/或附图中所示的元件的子集中所示的更多的元件。此外，一些实施例可以包含来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
图1是磁场方向检测器的第一实施例的平面图。磁场方向检测器10包括具有相应电阻r1至r4的第一至第四磁电阻器12、14、16和18。第一和第二磁电阻器12和14串联连接在第一参考节点20和第二参考节点22之间。为了方便起见，第一参考节点20在使用中可以被连接以接收第一参考电压vref+，并且第二参考节点参考节点可以接收第二参考vref-。这些电压可以有利地由稳定的电压基准提供。在参考电压vref+和vref-被良好控制的情况下，方向检测器只需要具有第一和第二磁电阻器12和14中的一个。然而，为了更好地抵抗电压变化，检测器温度漂移和增强灵敏度提供第三和第四电阻器16和18以形成如图2所示的桥结构是有利的。
参考图2，通过将第一磁阻12的第一端连接到第一参考节点20并将第二端连接到第一输出节点30并连接到第二磁阻14的第一端来形成桥。第二磁阻14的第二端连接到第二电压参考节点22。
类似地，第四电阻器18的第一端连接到第一参考节点20。第四电阻器的第二端连接到第二输出节点32并连接到第三磁阻16的第一端。第三磁阻16的第二端连接到第二参考节点22。
在使用中，可以将第一和第二输出节点处的输出电压彼此比较以确定磁场是否具有由箭头40(图1)表示的第一方向上的分量或者与第一方向40相反的第二方向42上的分量。因此，传感器响应于相对于检测轴44的磁场方向并且用于确定该磁场是否具有来自检测轴的第一侧或第二侧的场分量。该比较可以由比较器或差分放大器34来执行。
第一至第四磁电阻器12至18设置在第一平面中，该第一平面偏离载有用于扰动磁电阻器处的磁场的扰动发生器的第二平面。扰动发生器可以是磁化的材料片以便产生永久磁场。然而，在集成电路的情况下，使用在导体中流动的电流来产生扰动通常更为方便。这具有可以通过驱动电路改变扰动的大小和方向的优点。这在确定磁场方向检测器的灵敏度时，或者当执行增强信号处理的步骤(诸如自动归零动作以测量和/或补偿在连接到输出端子30和32的放大器或比较器中发生的偏移)时是有用的。
图3是沿图1的线a-a'的截面图，示出了第一和第二磁电阻器12和14以及由导电元件形成的扰动发生器50。导电元件形成在诸如硅衬底52之类的衬底之上，或者在硅衬底之上形成诸如聚酰胺之类的绝缘体层。导电元件自身被绝缘体54(例如聚酰胺)包围并嵌入绝缘体54内。在制造磁场方向检测器期间，绝缘体54可以被平坦化以便形成平面表面56，磁电阻器12和14被沉积在平表面56上。然后将电阻器封闭在保护层58中以保护它们免受环境损害。
这些步骤对于器件制造领域的技术人员来说是常规的，并且不需要在这里描述。可以看出，对于如图3所示定位的磁电阻器，由于在扰动发生器50的导体中流动的电流，它们将受到磁通。
回到图1，可以观察到，扰动发生器50具有折叠路径，使得如果在第一磁阻12下方流动的电流具有第一方向(如图1所示向上并进入图3页面的平面)，那么在第二磁阻14下面流动的电流沿着相反的方向(沿图1的页面向下并离开图3的平面)流动。因此，当扰动发生器50携带电流时，在第一磁阻12和第二磁阻14处出现不同的扰动磁场。
在第三和第四电阻器16和18处也会发生完全相同的效果。
图4示意性地示出了具有由矢量“h”示出的具有强度和方向的外部磁场的扰动磁场的矢量相加。每个磁阻的扰动由矢量hp表示。在每种情况下，对于每个磁电阻器，hp的幅度已经显示为相同，但是第一和第三磁阻器的方向与第二和第四磁阻器的方向相反。
对于每个电阻器12、14、16和18，合成矢量和被指定为“m”，并且可以看出，第一电阻器12的合成场m1的方向已经改变了第一角度θ1，该第一角度θ1不同于已经改变第二角度θ2的第二磁阻14的合成磁场m2的电场。而且，矢量和m1和m2的大小可能不同。
磁场方向和强度的变化分别影响第一至第四磁阻12、14、16和18的电阻r1至r4，并且每个矢量和相对于h旋转相应的角度θ1至θ4。
图5示出了定义细长和线性磁电阻器60中的电流的方向与由周围磁场h产生的磁电阻器磁化矢量m之间的角度
注意的特点是ρ(rho)在±90°处最小，并且响应对称约为±90°。如后面将讨论的那样，通过允许由具有相反电流方向的磁阻元件形成磁阻传感器，可以利用该效应来增加磁电阻器的有效长度并因此增加灵敏度。
从比较图4和6可以看出，第一磁电阻器12的电阻r1将改变到与第二磁阻14的电阻r2不同的程度。在图4所示的例子中，m2处于高于m1的角度ρ(rho)，因此r2<r1，假设r1＝r2，在没有任何磁场的情况下。类似地，r4<r3。因此，对于如图2所示的桥式配置的这些电阻器，如果磁场具有第一方向40上的分量，则vout2>vout1，而如果磁场具有第二方向42上的分量，则vout2<vout1。
通过使用与其“宽度”相比具有增加的“长度”的电阻器，可以增强磁阻响应的强度。这可以通过在形成磁电阻器的材料中形成曲折或蛇形图案或通过形成多个串联连接的条或磁阻材料元件的每个磁阻来实现。磁阻材料的条纹或元件可以相互平行地沉积。
图7以简化形式示出了磁场方向检测器，其中每个磁电阻器现在包括多个互连的磁阻元件。比较图7和图1，第一磁阻12现在包括通过金属连接件71连接在一起的两个磁阻元件12-1和12-2，金属连接件71可以形成在磁阻材料上或形成在扰动发生器50的导体和磁阻元件中间的层中，或者可以是磁阻材料的一部分。
其他磁电阻器类似地由磁阻元件14-1、14-2、16-1、16-2、18-1和18-2形成。
尽管与元件12-1中的电流相比电流在磁阻元件12-2内是相反的方向，但围绕90°方向的电阻率特性中的对称意味着两个元件的响应是相同的。每个磁阻12、14、16和18可以由多个磁阻元件组成，例如，两个、三个、四个、五个等等。电阻和电阻变化随电阻元件的数量而变化。
电阻元件已被绘制为线性元件，因为这既是最简单的配置，也被认为是最可能的，但是本公开的所有实施例不限于此。即使当期望外部磁场在方向检测器的空间存在时基本上是线性定向时，形成它们的磁电阻器和磁阻元件可以采取其他几何形状，例如弓形或锯齿形。这可以增强磁场方向检测器在包含其他组件的模具上的填充。
如现在将描述的那样，两个磁场方向检测器可以用于形成象限检测器。
图8示出了包括用于在具有沿着箭头102的方向的检测轴的第一方向检测器100中产生磁扰动的单个导体扰动发生器50的共享扰动发生器的路径，以及具有沿着箭头106的方向的检测轴的第二方向检测器104。因此，可以在两个磁场方向检测器中同时控制扰动场的大小和方向。图9类似于图8，而且还示意性地指示每个方向检测器100和104中的第一至第四磁电阻器的位置(磁阻器可以由多个磁阻元件构成，如关于图7)。
未示出的比较器可以连接到第一方向检测器100的第一和第二输出以将v11与v12进行比较。类似地，连接到第二桥104的输出端的比较器可以将v21与v22进行比较。
图10示出了当扰动发生器50的导体如图所示被通电并且埋在图9的磁阻之下时扰动磁场的方向。
当磁场在图11所示的x-y平面中左右或左右移动时，可以映射v11和v12以及v21和v22的相对大小，其中检测轴102和106被示出为与图10所示的方向相对应。
因此，对于从左到右行进的场，扰动的影响是使v11>v12。
第二个方向探测器检查图11中所示的坐标系是否正在向上或向下移动。如果磁场向上移动，则v21>v22。
如果比较器的排列方式使得v11>v12＝1，则v11<v12＝0；v21>v22＝1且v21<v22＝0，则磁场方向可以表示为两位字，也如图11所示。
因此，在这个例子中，由从0到90°方向行进的起点产生的磁场由1，1表示。在90°到180°的方向上用1，0表示，依此类推。比较器输出的符号可以通过改变v11和v12以及v21和v22的输入连接和/或通过颠倒扰动发生器50(图8、9和10)中流动的电流的极性来改变。
很显然，可以使用偏移45°的两个象限检测器来确定在构成1/8圆的扇区内的磁场方向。通过修改，检测器也可以对垂直于形成磁电阻的平面的磁场方向敏感。图12中示意性地示出了这样的布置。
如图12所示，导体150形成在衬底152上方并嵌入绝缘体154内。第一和第二磁阻160和162(对应于图1的磁阻12和14)形成在层154上方，并横向移位导体150的任一侧。
示出了来自导体150中的电流的磁通量线156(传统电流流动方向进入图12的平面)。扰动磁场在磁电阻器160处具有向上分量并且在磁电阻器162处具有向下分量。这允许在垂直于承载磁电阻器的集成电路的平面的方向上进行感测。这种布置可能必须与由于材料在z方向上薄而导致的磁阻器中的形状各向异性相竞争。由于这种各向异性，该实施例的灵敏度可能受到限制，使得它需要存在强磁场和/或需要在z方向上形成额外厚度的磁电阻器。
象限检测器可用于使用各向异性磁阻来增大来自磁角度方向检测器的输出。这种传感器也由形成磁电阻器的磁阻材料的条带制成，但不具有扰动发生器。为了理解amr元件作为旋转检测器的局限性，例如当一个棒状磁铁被放在轴上以测量轴的角度旋转时，考虑图13，它代表了图6的数据，但是举例说明存在磁场方向m相对于磁阻的纵轴的四个方向，其给出相同的电阻率，并因此具有相同的电阻。
当磁电阻器放置在图14中示意性示出的类型的桥式阵列中时，该角度不确定性保持不变。这里，磁阻元件彼此平行地放置在四个块中以形成电阻器的桥。因此，包含在区域180内的七个磁阻元件形成单个磁电阻器。区域182、184和186形成其他磁电阻器，然后将其放置在桥式配置中，使得磁电阻器180和186共同操作以形成电桥的一个分支，并且磁电阻器182和184协作形成桥的另一个分支。
在已知的角位置传感器中，已知形成两个磁阻桥结构190和192，其中一个桥相对于另一个桥旋转45°，如图15所示。对于每个桥，可以形成输出信号vout＝vout-a-vout-b。对于第一桥路190和第二桥路192的这些响应在图16中分别被图示为vout_桥1和vout_桥2。
如下面公式1所示，可以将桥的输出进行组合。
输出在图17中示出，并且在-90°<x<90°的范围内是单调的，其中x代表相对于第一桥190的感测轴的磁场方向。因此，例如，-45°和+135°。然而，通过包含如本文所述的象限检测器，可以解决角度不确定性并给出明确的输出。
如前所述，象限检测器的元件或构成它的各个方向检测器不一定是直线或线性元件。类似地，检测器的各个电阻器不需要并排放置，而是可以分布在衬底上以实现更大的封装密度。类似地，用于形成磁扰动的导体不需要遵循上文所公开的路径，并且可以例如形成为螺旋路径。
图18示出了修改的磁场检测器，其中每个磁电阻器由形成在扰动发生器的相应部分上方的多个磁阻元件形成。比较图18和图1，图1的第一电阻器12现在由四个磁阻元件200.1至200.4组成。磁阻元件200.1至200.4相对于彼此倾斜，以便在锯齿形扰动发生器上方具有锯齿形图案。其他磁电阻器类似地形成。
扰动导体不需要永久通电。角度位置传感器应该能够保持对角度位置的运行估计，所以在初始化时和/或周期性地为检查目的而启动象限检测器或实际上只有方向检测器就足够了。
图19示出了另一实施例，其中磁电阻器的数量已经减少，在这个例子中，放在旁边的扰动发电机50可以由一个可控电流宿214(或电流源)被选择性地激励的单个电阻器210。通过磁电阻的电流也可以通过如所示的电流吸收器220或通过电流源来控制。在存在横向于电阻器210的感测或检测方向的分量的磁场的情况下，激励微扰发生器使得电阻器210的电阻根据磁场的方向而减小或增大。这导致节点222处的电压改变。如果可以监测这种变化，那么可以估计磁场的方向。图19示出了能够监测节点222处的电压变化的电路。电容器224具有连接到运算放大器226的非反相输入的第一端子。电容器的第二端子连接到本地接地或连接到电源轨道228。例如由fet形成的电控开关230被提供以将电容器224的第一端子连接到节点222。放大器226的反相输入端通过电阻器连接到节点222，并且还通过电阻器234连接到放大器226的输出端。这些电阻器用于限定放大器226的增益。
当开关230闭合时，电容器可以充电到节点222的电压。在此期间，电流阱214可以断电，使得没有电流在扰动发生器50中流动。当期望检查磁场的方向时，开关230打开，使得节点222处的电压保持在电容器224上。然后扰动发生器被激励，导致电阻器210的电阻改变，并且因此节点222处的电压改变。这个新的电压被提供给反相输入端，在那里它被放大器226与前一个值相比较，并且放大器输出的符号指示磁场的方向。放大器226可以被省略的比较器和电阻器232和234代替，并且比较器的反相输入端直接连接到节点222。
方向检测器适用于集成在包含角位置传感器的集成电路内，并且在一些情况下，可以使用相同的amr桥来形成角方向检测器的一部分，并且方向检测器即当前的半球或象限检测器披露。
用于磁场检测的装置和方法包括磁阻传感器和允许解析外部磁场的方向不确定性的导体或微扰发生器，在申请号为no.13/655,059(“'059申请”)，发明名称为“magneticfielddirectiondetector”的美国专利中公开，其全部内容通过引用结合于此。如'059申请中所公开的，磁阻传感器可以在包括磁阻传感器的层之下或之上的隔离层中具有伴随的扰动发生器，并且扰动发生器可以被配置为在磁阻传感器的不同条纹附近的不同方向上传导电流。如'059申请中公开的那样实施的扰动发生器允许基于比较由导体扰动的不同条纹的输出值来确定外部磁场的方向或角度在哪个象限内。如同样在'059申请中所讨论的那样，具有扰动发生器的方向检测器可以利用形成为桥结构的磁阻传感器来实现。在这样的示例中，在一个方向上提供具有第一检测轴的第一组磁阻条纹，并且在另一个方向上提供具有第二检测轴线的第二组磁阻条纹，其中第一和第二方向可以近似彼此垂直。第一和第二组磁阻条可以分别被称为正弦电桥电阻器和余弦电桥电阻器。
诸如各向异性磁阻(amr)传感器、巨磁阻(gmr)、隧穿磁阻传感器(tmr)或任何其他磁阻(xmr)传感器等磁场传感器各自在实现磁场检测器方面提供不同的优势。使用不同类型的磁场传感器实现的应用程序可能能够感测外部场的不同角度范围。例如，在桥中形成的amr传感器的一些应用可能仅能够确定0到180度范围内的外部磁场的角度，因为来自amr传感器桥的输出可以每180度重复一次。某些磁场探测器可以允许具有相对宽的磁窗口和相对高的准确度的完整的360度范围的外部视场角检测。这可以使得传感器受益于诸如amr传感器的某些磁阻传感器的优点，同时克服与这些传感器相关的某些缺点。
amr象限探测器可补充amr角度位置传感器，并将其范围从180度扩展到360度全方位旋转。一些amr角度传感器提供对应于具有2×增加相位的外部场的角度的输出信号，使得对于360度磁场旋转，提供输出信号的2个周期(720度)。因此，区分实际测量的角度是α还是α+180度是具有挑战性的。
许多应用程序可以从解决这种歧义的能力中受益。'059申请中公开的解决方案涉及添加2个特别设计的amr桥(amr象限检测器)，其在正常操作中可以具有零输出，但是在用叠加的“线圈”偏置时，其也可以被称为微扰发生器或偏置导体，将提供在象限内的测量场的方向。应该理解的是，“线圈”可以具有线圈以外的形状并且通常可以与磁阻元件相邻。这个额外的信息结合amr角度传感器提供了完整的360度操作范围。象限检测器可以基于与有角amr桥接器基本相同的工艺，并且在某些实施例中可以仅用一个额外的金属层来实现。因此，可以在单个芯片内进行集成。
通过在'059应用程序(见本文中的图9)中倾斜象限检测器内的电阻条纹角度，可以在不诉诸使用象限检测器和角度检测器的情况下避免奇点模糊。还表明，在电阻条纹的一个实施例中，可以获得具有360度周期的正弦波输出。此外，通过改变偏置电流的极性，可以通过信号处理来检测、减少和/或移除电桥偏移(及其漂移)。此外，除了所施加的磁场的角度方向之外，还可以通过该布置来测量所施加的磁场的相对较大的场幅度。这可以具有重要的功能安全功能用途。
与不同技术的传感器的各种共同封装组合相比，这种提出的解决方案的一个优点是本文公开的实施例可以使用与一种类型的磁场传感器(例如，amr传感器)相同的过程。因此，可以用附加的金属层集成在同一个管芯上。此外，如果磁场传感器(例如amr)单片集成到asic上，与其他一些方法中的至少三个相比，封装中的管芯数量下降到1。在一些实现中，偏置电流可以在大多数时间关闭，当不需要象限信息以节省功率并且仅在给定的时间间隔或按需要时开启时。
本公开提供了被布置为感测磁场和/或差分磁场的磁场传感器。这些磁场传感器的原理和优点可用于生成非接触式电流测量。
磁场传感器可以包括磁阻传感元件以测量用于电流测量的磁场和/或差分磁场。使用磁阻传感器的一些先前的磁场和/或差分磁场测量的显着缺点是由于偏移(诸如偏移温度补偿和/或长期偏移漂移)而导致的误差。在某些情况下，这种偏移可将精确度限制在约1％至2％的范围内。这可能是不幸的，因为磁阻传感器可以具有相对高的分辨率(例如，大约130db的动态范围)。
之前一些减少传感器偏移的工作涉及使用翻转原理。然而，使用翻转原理的传感器涉及较高的电流脉冲以翻转灵敏度并且翻转后的重复性较差。
本公开的多个方面涉及磁场传感器，其能够减少和/或消除磁阻传感器的传感器偏移，以使它们能够使用更宽的动态范围。上面参照磁场方向传感器和/或扰动发生器讨论的任何合适的原理和优点可以结合本文讨论的磁场传感器和/或差分磁场传感器应用。这里讨论的磁场传感器可以用于磁力计应用和/或罗盘。这里讨论的差分磁场传感器可以用于电流测量应用。此处讨论的磁场传感器的其他应用包括太阳能电池板中的电流测量、交流电力传输应用中的电流测量、激光功率供应和电池管理等等。
图20是磁场传感器300的实施例的示意图。磁场传感器300包括具有相应电阻r11至r41的第一至第四磁阻元件312、314、316和318。磁阻元件312、314、316和318被配置为惠斯通电桥。磁场传感器300可以包括靠近磁阻元件312、314、316和318的两个或更多个导体。例如，导体可以位于第一至第四磁阻元件312、314、316和318附近。在如图20所示存在两个导体的一些实施例中，第一导体可以是承载偏置电流的偏置结构和承载补偿电流的第二导体补偿结构。如图所示，磁场传感器包括被配置为承载偏置电流的偏置导体332和被配置为承载补偿电流的补偿导体342。在某些实施例中，偏置导体332和补偿导体342可以分层设置在磁阻元件312、314、316和318的相对侧上。偏置导体332具有第一偏置节点b+和第二偏置节点b-。补偿导体342具有第一补偿节点c+和第二补偿节点c-。
第一到第四磁阻元件312、314、316和318是磁阻(xmr)元件。例如，第一到第四磁阻元件312、314、316和318可以是各向异性磁阻(amr)元件。这种amr元件可能包括没有理发杆的电阻条。
偏置导体332被布置成由于电流而产生垂直于xmr电阻器长度的偏置磁场。偏置导体332被布置为相对于磁阻元件314和318产生磁阻元件312和316的反向场灵敏度。偏置导体332可以以各种方式实现。例如，偏置导体332可以通过单层或多层的导电金属来实现。较少的层可以具有较低的成本优势。多层互相串联的导体可以节省功率，因为相同的电流可以通过多层，并为给定量的电流产生更高的磁场。例如，这些层可以在磁阻元件312、314、316和318的层的上方和/或下方。在一个示例中，偏置导体332被实现在磁阻元件312、314、316和318之下的层之上的层中。在另一个示例中，偏置导体332在磁阻元件312、314、316和318下方的两层以上和两层中实现。可以实现其他变型。提供扰动磁场的其他方式也是适用的。例如，不是通过电流产生磁场，而是可以替代地使用永磁体。
补偿导体342可以提供用于线性化的场补偿。补偿导体342可以产生与外部磁场相反的磁场，该外部磁场将使得惠斯通电桥的输出近似为零。补偿导体342中的电流可以是外部磁场的测量值。例如，补偿电流可以基于包括磁阻元件312、314、316和318的惠斯登电桥的输出。类似于偏置导体332，补偿导体342可以在单层或多层中实现。
在偏置导体332和补偿导体342中的电流方向在磁场传感器300中可能是重要的，以确保适当的操作。在图20所示的实施例中，偏置导体332被布置为使得与第一磁阻元件312和第四磁阻元件318相邻的偏置导体332中的电流在特定时间帧内以向上方向350流动，与第二磁阻元件314和第三磁阻元件316相邻的偏置导体332中的电流以特定时间帧的向下方向352流动。分别与第一和第二磁阻元件312和314相邻的补偿导体342中的电流沿向下方向352流动。与第三和第四磁阻元件316和318相邻的补偿导体342中的电流分别沿向上方向350流动。
因此，在图20所示的实施例中，偏置导体332和补偿导体342将具有在第二和第四磁阻元件314和318附近沿相同方向流动的电流，并且具有在在靠近第一和第三磁阻元件312和316的相反方向上流动的电流。换言之，在由惠斯登电桥中的第一和第四磁阻元件312和318限定的第一半桥中，偏置导体332中的电流流动方向与邻近第一磁阻元件312的补偿导体342中的电流流动方向相反，偏置导体332中的电流流动方向与邻近第四磁阻元件318的补偿导体342中的电流流动方向相同。在由第二和第三磁阻元件314和316限定的第二半桥中，偏置导体332中的电流流动方向与邻近第三磁阻元件316的补偿导体342中的电流流动方向相反，偏置导体332中的电流流动方向与邻近第二磁阻元件314的补偿导体342中的电流流动方向相同。
偏置导体332中的电流的方向可以以规则的时间间隔翻转。例如，偏置电流的行为可以如图30b所示。类似地，补偿导体342中的补偿电流的方向可以与偏置电流近似相同的时间翻转。补偿电流可以基于半桥和/或全桥的输出。
图20的实施例允许使输出out+和/或out-的偏移近似为零。例如，所示的偏置可以增加磁阻元件312和318在外部场中的电阻，同时减小磁阻元件314和316的电阻。而且，如上所述，补偿导体342可以产生磁场，该磁场与外部磁场相反。因此，可以使第一和第四元件312和318处的磁场接近零。
在包括第二和第三磁阻元件314和316的第二半桥中也会发生相同的效果。
磁场传感器包括被配置为检测磁场和/或差分磁场的传感器。配置为检测差分磁场的磁场传感器可称为差分磁场传感器。
图21示出了差分磁场传感器360的实施例。图21中的差分场传感器360大致类似于图20中示出的磁场传感器300，除了第一和第二磁阻元件312和314物理距离差分场传感器360中的第三和第四磁阻元件316和318(例如，位于芯片的两个不同部分中)。如图所示，第一和第二磁阻元件312和314设置在第一区域354中，第三和第四磁阻元件316和318设置在第二区域356中。在本实施例中，当两个相同的磁场被施加到具有第一和第二磁阻元件312和314的第一区域354和具有第三和第四磁阻元件316和318的第二区域356时，在第一区域354和第二区域356处没有可测量的场差。然而，对于不同的磁场，输出信号可以有可测量的变化。该机制可用于差分现场测量以减少和/或消除任何均匀场。因此，如果没有这种机制，产生的差分场比测量更精确。
差分磁场传感器360中的电流方向与图20所示的磁场传感器300的电流方向不同。然而，偏置导体332和补偿导体342中的电流在与第二和第四磁阻元件314和318相邻的相同方向上并且在与第一和第三磁阻元件312和316相邻的相反方向上。
图22是磁场传感器的横截面图。图23-26是示出在制造的各个阶段期间磁场传感器的不同层的示意性平面图。图22中所示的磁场传感器包括在半导体衬底362上的隔离层364，偏置导体332，两个钝化层366和370，磁阻元件312，金属化层368和补偿导体342。在一些实施方案中，在偏置导体332和补偿导体342之间设置磁阻元件312可能是有利的。这种布置可以为磁阻元件312提供最大磁场。但是，在一些实施方案中，可以进行不同的层配置。例如，偏置导体332和补偿导体342可以位于同一平面上和/或在磁阻元件312的一侧上堆叠在一起。而且，应当理解，导体332的不同形状和/或342可被布置成产生不同的磁场方向。
将参考图23-26描述制造磁场传感器的示例方法。该方法可以在半导体衬底(例如，硅衬底)上和/或在半导体衬底上的隔离器上形成磁场传感器。如图23所示，可以形成偏置导体332。然后，如图24所示，可以在偏置导体332上形成磁阻元件312、314、316和318。如图22所示，可以在偏置导体332和磁阻元件312、314、316和318之间设置钝化层364。互连(例如金属化层368)可以形成为电连接磁阻元件312、314、316和318。如图26所示，可以在磁阻元件312、314、316和318上形成补偿导体342。图22示出了钝化层370可以设置在磁阻元件312、314、316和318与补偿导体342之间。
图27和28示出差分磁场传感器的不同实施例。在这些实施例中，惠斯通电桥的每个磁阻元件由差分磁场传感器不同侧上的两个分离的磁阻部分实现。图27和图28的差分磁场传感器各自包括差分传感器不同侧上的全桥的每个磁阻元件的子磁阻元件。子磁阻元件312a、314a、316a和318a位于传感器和子磁阻元件312b、314b、316b和318b的第一部分中以及在与第一部分间隔开的传感器的第二部分中。通过在差分磁场传感器中的两个分开的部分中具有两对子磁阻元件，半桥的每个磁阻元件可以在差分磁场传感器的相对侧上匹配。衬底的不同部分可以具有不同的温度。替代地或另外地，通过外部机制可以产生衬底上不期望的温度梯度。图27和28的差分磁场传感器可以改善磁阻传感元件在温度漂移方面的匹配。
由于磁场传感器在施加偏置电流时只能产生输出信号，而灵敏度方向取决于施加的电流方向，所以可以实现偏移补偿。在某些应用中，有一条信号路径在另一条信号路径进行校准时运行可能是有益的。如图29所示的具有三个输出的传感器体系结构实现了这些功能。例如，传感器的第一输出和第二输出可以用于感测差分磁场，而第三输出被校准为近似零并且具有与第二输出相同的灵敏度。通过不同偏置导体的电流可以控制传感器的这种操作。
在图29中，示出了具有三个具有三个输出out1、out2和out3的半桥的差分磁场传感器。该差分磁场传感器包括三个半桥、第一至第三偏置导体432、435、438和补偿导体442。三个半桥包括第一至第三半桥。第一半桥包括磁阻元件416和418，第二半桥包括磁阻元件414和420，第三半桥包括磁阻元件412和422。尽管参照图29描述了差分磁场传感器，该实施例的原理和优点可以应用于感测非差分磁场的其他磁场传感器。
在一些实施方案中，当每个磁阻元件412、414、416、418、420和422的内部磁化周期性地以规则间隔翻转时，可以执行外部磁场的单个分量的差分测量。因此，将正偏置电流和负偏置电流翻转可以减小和/或消除偏移。当差分磁场传感器发生翻转时，校准通常会存在时间延迟，并且在此类校准过程中可能会中止测量。但是，使用三个或更多半桥，可以实现连续测量。例如，参考图29，当测量第一输出out1和第二输出out2之间的电流并产生在第一输出out1的一个方向上流动的偏置电流和在第二输出out2的相反方向上流动的偏置电流时，第三输出out3可以在与第一输出out1的偏置电流相同的方向上具有偏置电流。在这种情况下，在第一输出out1和第三输出out3之间存在偏移，并且在第一输出out1和第二输出out2之间可以存在近似零偏移。然后，可以翻转第三输出out3的偏置电流，并且可以在第二输出out2被校准的同时在第一输出out1和第三输出out3之间测量电流。因此，即使偏置电流在偏置导体432、435和438中的一个中翻转，也可以进行连续测量。图30a-32c提供了关于如何实现该序列的更多细节。
图30a-30d示出了对应于图29的差分磁场传感器的操作的图。图30a是表示垂直轴上的表示外部磁场的电流的电流强度和具有正弦曲线的水平轴上的时间的曲线图。图30b是表示纵轴上的第一施力导体432中的第一偏置电流和横轴上的时间的图。图30c是表示第一施力导体435中的纵轴上的第二偏置电流和横轴上的时间的图。图30d是表示第一施力导体438中的纵轴上的第三偏置电流和横轴上的时间的图。图30a-30d中横轴上的时间共享相同的时间范围。
图31a-31c是示出在相同时间帧内图29的差分磁场传感器的各个输出之间的电流差的曲线图。图31a显示了第一输出out1和第二输出out2随时间的电流差异。图31b示出了随着时间的推移第二输出out2和第三输出out3的电流差异。图31c显示了第三输出out3和第一输出out1随时间的电流差异。
图32a和32b是示出用于相同时间帧的校准和信号的定时的两个定时图。图32c显示了同一时间帧内磁敏系统的输出电压。从图32a和32b可以看出，当图29的差分磁场传感器的两个输出被用于电流测量时，另一个输出可以相对于两个输出中的一个进行校准。例如，当使用第一和第三输出out1和out3时，可以翻转第二输出out2。此外，在第二和第三输出out2和out3之间发生偏移校准，而在测量中使用其他输出组合。
图33是根据一个实施例的包括组合的偏置和补偿导体532和542的差分磁场传感器的示意图。如图所示，差分磁场传感器包括第一至第四磁阻元件512、514、516和518、第一偏置和补偿导体532以及第二偏置和补偿导体542。在图33中，偏置和补偿导体532和542可以携带叠加偏置电流和补偿电流的组合补偿和偏置电流。如图33所示，在某一时刻，与第一和第三元件512和516相邻的第一组合导体532中的偏置电流和补偿电流的电流方向相反。相反，在该时间点处，偏置电流的电流方向和与第二和第四元件514和518相邻的第二组合导体542中的补偿电流是相同的。在本实施例中，因为可以在一个导体中提供偏置电流和补偿电流，所以差分磁场传感器可以比用于偏置和补偿电流的单独导体的传感器(例如图21所示的实施例)小。可选地或附加地，在图33的实施例中，在将偏移量设置为零期间，电流消耗可能没有显着的总体变化。例如，为了在外部磁场的测量中使偏移为零，可以减小组合导体532和542之一的电流，同时增加其他组合导体532和542的电流。
尽管在此描述了磁场传感器和差分磁场传感器的某些实施例，但是本文讨论的任何合适的原理和优点可以彼此组合地实现。而且，虽然磁场传感器和差分磁场传感器的实施例可以包括全桥，但是可以结合半桥和/或在具有多于两个半桥的传感器中实现本文讨论的任何合适的原理和优点。
图34是根据一个实施例的磁场感测系统的示意图。磁场感测系统包括差分磁场传感器610。差分磁场传感器610例如可以由图21、图27或图28的差分磁场传感器来实现。偏置电流电路可以在工作期间连续地将偏置电流从正向切换为负向。例如，开关670可以基于由方波发生器680提供的输出来改变由偏置电流源672提供的电流的极性，方波发生器680可以通过反相器674提供。可以将具有比偏置电流切换更低的频率的由初级电流条690生成的差分场的任何种类的差分场转换为交流(ac)输出out+/out-。输出信号可以由前置放大器620预放大。初级电流条690可以物理地位于传感器610下方。前置放大器620可以具有基本恒定的跨导g。
前置放大器620的输出的直流(dc)部分可以通过高通滤波器631去除。如图所示，高通滤波器631可以包括隔直流电容器632和分流电阻器634。滤波可以减少和/或消除传感器610的dc偏移和前置放大器620的dc偏移。高通滤波器631的输出可以使用以与电流切换相同的频率切换的交叉开关641来进行整流。如图34所示，交叉开关641和开关670可以通过相同的控制信号进行切换。
十字开关641可以提供原始输出信号。交叉开关641信号的输出可以由放大器650放大并提供给传感器610的补偿导体。因此，补偿电流可以基于传感器610的输出。补偿导体可以将xmr电阻上的电场减小到接近零。差分字段可以与流经补偿导体的电流成比例。输出放大器660可以提供代表差分磁场的输出电压vout。电阻器655可以耦合在输出放大器660的输入端之间。
图35是根据另一个实施例的磁场感测系统的示意图。图35的磁场感测系统与图34的磁场感测系统相似，除了叠加偏置和补偿电流被提供给差分磁场传感器695之外。差分磁场传感器395可以例如由图33的差分磁场传感器实施。组合电路682和684可以组合偏置电流和补偿电流。这些组合电流可以提供给组合偏置和补偿导体。当偏置电流和补偿电流翻转时，组合电流可以按照图33所示的方向和相反的方向流动。
图36示出了根据一个实施例的电流测量系统。图示的电流测量系统包括布置成产生u形差分磁场的初级u形杆690、被布置为在磁阻元件312、314、316和318以及差分场传感器360的长方向上产生附加偏置场的两个附加的磁体700和702，如图21所示。
在图36的电流传感器中，从主体棒690的电流从左上方向上流动350，然后在顶部电流向图中右侧流动，并且在右侧，电流向下流动352。在该实施例中，电流产生在第一部分354处从图中左侧指向右侧的磁场和在第二部分356处从右侧指向左侧的磁场。由主杆690产生的差分磁场，磁场可以由传感器感测。该实施例可以在没有用于外部磁场的屏蔽的情况下实施。
本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。例如，本公开的各方面可以在可以受益于磁阻传感器的任何电子设备或电子组件中实现。作为示例，本公开的各方面可以在可受益于磁阻传感器的任何电子设备或电子组件中实现。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备、车载电子系统等。电子设备的示例可以包括但不限于计算设备、通信设备、电子家用电器、汽车电子系统等。此外，电子设备可能包括未完成的产品。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包括”等应被解释为包含性的意义，而不是排他性的或穷尽的意义，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。此外，当在本申请中使用时，“在此”、“在...之上”、“在...下面”以及具有类似含义的词语应该指代这个应用程序作为一个整体，而不是本应用程序的任何特定部分。在上下文允许的情况下，以上具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。在上下文允许的情况下，参考两个或更多项目列表的单词“或”旨在涵盖对该单词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合。
此外，除非另有明确说明，否则本文中使用的条件性语言，例如“可以”、“可能”、“例如”、“诸如”等等，在所使用的上下文中以其它方式理解，除了其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态之外，通常旨在传达某些实施例包括。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或者没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或状态包括在或将在任何特定实施例中执行。
前面的描述和权利要求可以将元件或特征称为“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非另有明确说明，“连接”意味着一个元件/特征直接或间接连接到另一个元件/特征，并且不一定机械地连接。类似地，除非另有明确说明，“耦合”意味着一个元件/特征直接或间接耦合到另一个元件/特征，并且不一定机械地耦合。因此，尽管附图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例性布置，但是在实际实施例中(假设所描绘的电路的功能没有受到不利影响)中可以存在额外的中间元件、装置、特征或组件。
如本文所使用的，术语“基本上”意指修改的特性不需要是绝对的，而是足够接近以便实现特性的优点。
上述方法的各种操作可以通过能够执行操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块。通常，图中所示的任何操作可以由能够执行操作的相应功能手段来执行。
本文公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个操作或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非指定了特定的操作或动作的顺序，否则在不脱离权利要求的范围的情况下，可以修改特定操作和/或动作的顺序和/或使用。
应该理解的是，这些实现不限于上面所示的精确配置和组件。在不脱离实现的范围的情况下，可以对上述方法和装置的布置、操作和细节进行各种修改、改变和变化。
尽管已经根据某些实施例描述了创新，但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的其他实施例(包括不提供这里阐述的所有特征和优点的实施例)也在本公开的范围内。而且，上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以并入其他实施例中。
上面已经描述了各种实施例。尽管参照这些具体实施例进行了描述，但是这些描述旨在是说明性的而不是限制性的。本领域技术人员可以想到各种修改和应用。
这里介绍的权利要求是单一依赖格式，适合在uspto上发布。然而，对于可以在没有索赔费惩罚的情况下呈现多项从属权利要求的其他司法管辖区，应当理解的是，每一项权利要求可以取决于任何前述相同或类似权利要求类型的权利要求，除非在技术上明显不可行。
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