專利名稱：使用單個磁阻傳感器確定磁場的面內磁場分量的裝置和方法
使用單個磁阻傳感器確定磁場的面內磁場分量的裝置和方
法
背景技術：
所期望的是，使用在相同村底上成批制造的設備在不需要鋸割和封裝的情況下就能夠感測平面場的兩個分量。當前可用的技術是通過在相鄰的隧道結上使正交的鐵磁釘扎(pinned)層/參考層(PL/RL)磁化方向退火(annealing-1n)來解決這個問題的。磁性隧道結具有大約百分之百(100’ s of% )的高磁阻率(S卩，(Rfflax-Rfflin)/Rfflin =A R/R)，而且當前被用于測量中到高水平的磁場。磁性隧道結還具有高1/f噪聲。低頻的高噪聲密度阻礙了將磁性隧道結用于測量在低于kHz級別的頻率處的低水平磁場。

發(fā)明內容
本申請涉及用于測量在平面內的所施加的磁場的方法。本方法包括施加第一交變驅動電流到第一帯。第一帶的至少一部分覆蓋磁阻傳感器。第一帶具有在第一方向延伸的尺寸。本方法還包括同時施加第二交變驅動電流到第二帯。第二帶的至少一部分覆蓋第一帶的至少一部分。第二帶具有在第二方向延伸的尺寸。第二方向不平行于第一方向，并且第二交變驅動電流相對于第一交變驅動電流異相，這樣磁阻傳感器經(jīng)受在磁阻傳感器的平面內旋轉的周期性地旋轉的磁驅動場。當所施加的待測磁場被疊加于在平面內旋轉的周期性旋轉磁驅動場時，本方法進ー步包括提取從磁阻傳感器輸出的輸出電壓的二次諧波分量。待測磁場在平面內的幅度與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的幅值成比例。待測磁場在平面內的方向與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的相位角有關。在下面的附圖和描述中闡述了要求保護的發(fā)明的各種實施例的細節(jié)。根據(jù)描述、附圖和權利要求，其他特征和優(yōu)點將顯而易見。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的多層磁阻傳感器、第一驅動帶和第二驅動帶的一個實施例的框圖；圖1B示出在圖1A的磁阻傳感器的X-Y平面內以一角頻率周期性旋轉的磁驅動場；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的磁性隧道結、電接觸(electrical contact)、第一驅動帶和第二驅動帶的一個實施例的框圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的巨磁阻器、電接觸、第一驅動帶和第二驅動帶的一個實施例的框圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的用于測量圖2A的磁性隧道結的輸出電壓的電路的一個實施例的框圖；圖3B是根據(jù)本發(fā)明的用于測量圖2B的巨磁阻器的輸出電壓的電路的ー個實施例的框
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的包括圖1A的磁阻傳感器的磁阻傳感器系統(tǒng)的實施例的框圖；圖5A和5B示出被施加到根據(jù)本發(fā)明的示例性磁阻傳感器的不同的所施加磁場的模擬輸出；圖6是根據(jù)本發(fā)明的包括磁阻傳感器的磁阻傳感器系統(tǒng)的實施例的框圖；圖7示出具有經(jīng)調整(tailored)波形的驅動電流的實施例；圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于測量在平面內的所施加的磁場的方法的一個實施例的流程圖。在各附圖中，同樣的數(shù)字和名稱指示同樣的部件。
具體實施例方式磁阻(MR)傳感器用于磁羅盤、磁異常檢測、輪齒感測等，即可用在其中必須感測磁場的微小值、或地磁場的微小變化的任何應用中。磁通門和超導量子干涉設備(SQUID)是能夠測量磁場的微小值或磁場中微小變化的大體積(bulk level)磁傳感器。芯片級磁阻傳感器可以以低成本制造并且因此比大體積磁阻傳感器有優(yōu)勢。各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器和磁性隧道結(MTJ)傳感器在芯片級制造。GMR和MTJ疊層包括其磁化方向可改變的鐵磁自由層、具有固定磁化方向的鐵磁參考層、以及位于它們之間的阻擋層。各向異性磁阻器(AMR)具有大約為2-3%的磁阻率AR/R。巨磁阻器有利地提供大約百分之十(10’s of%)的更高磁阻率AR/R。磁性隧道結(MTJ)提供甚至大約百分之百(100’ s of% )的更高的磁阻(MR)率。芯片級GMR或MTJ傳感器的另ー 個優(yōu)點是它們的小尺寸。例如，多層磁阻傳感器(GMR或MTJ)可具有大約幾十至幾百納米的尺寸。因此，覆蓋100-150nm寬的MTJ的200nm寬的金屬線具有32 u Amp/0e的“場轉換因子”，并且微米寬的線具有159 u Amp/0e的場轉換因子。因此，可以通過施加適度的電流至這樣的傳感器來產(chǎn)生用于使被適當構建的多層磁阻傳感器的自由層開關、旋轉或飽和所需的場，所述傳感器使用消耗適度功耗的較簡單專用集成電路(ASIC)。然而，多層磁阻(GMR或MTJ)傳感器的噪聲功率譜密度(包括1/f和巴克豪森噪聲分量)高于AMR傳感器的噪聲功率譜密度。對于發(fā)生在低頻率處的磁性變化，1/f 噪聲起主要作用，因此多層磁阻傳感器的較高磁阻率并未轉化成相應較高的信噪比。為了使多層磁阻傳感器的高磁阻率轉化成低的最小可檢測場(mdf)或噪聲等效場分辨率(noiseequivalent field resolution),提高信噪(SN)比是必要的。在高于1/f噪聲與頻率關系圖的拐點的頻率處，信噪(SN)比増加。改進多層磁阻傳感器的信噪比并使用單個多層磁阻傳感器來測量磁場的面內磁場分量的系統(tǒng)和方法的實施例被描述。如在此被定義的那樣，“磁場在平面內的磁場分量”是磁場向在平面內擴展的基向量(平面的坐標軸)上的投影。例如，磁場在X-Y平面內的磁場分量是磁場向X軸和Y軸上的投影。正如在此被定義的那樣，“在X-Y平面內所施加的磁場”是被投影到X-Y平面上的所施加的磁場。術語“X-Y平面”、“平面場”和“所選平面”在此被可互換地使用。磁場的面內磁場分量提供磁場在所選平面內的方向和幅度。尤其是，磁場的X-分量和Y-投影提供表示磁場在所選平面內的方向和幅度的信息。此處所述的傳感器系統(tǒng)利用磁性隧道結和/或巨磁阻器的獨特屬性，這些屬性以高分辨率實現(xiàn)低成本和低功耗。在此使用的術語多層磁阻(MR)傳感器既指磁性隧道結傳感器又指巨磁阻器傳感器，其具有比AMR傳感器更大的磁阻率。此處所述的磁阻傳感器系統(tǒng)不同于現(xiàn)有技術之處在于:面內施加的磁場的方向和幅度是使用單個隧道結測量的，其中可以使用對于晶圓上全部隧道結而言的正交PL/RL磁化方向的相同退火來在晶圓上制造該單個隧道結。因此，此處所述的隧道結不需要像現(xiàn)有技術中那樣創(chuàng)建釘扎層/參考層磁化的正交方向。正如在這里被定義的那樣，“所施加的磁場”是從磁阻傳感器系統(tǒng)外部的源入射在(被施加到)磁阻傳感器上的磁場。在此處所述的磁阻傳感器系統(tǒng)中，周期性旋轉的磁驅動場是在磁阻傳感器的自由層中被產(chǎn)生的。周期性旋轉的磁驅動場大到足以使自由層飽和且小到足以使磁阻傳感器的合成反鐵磁體大體上不受影響。因此，自由層按照旋轉磁驅動場的周期旋轉。在存在另外的外部直流(或低頻)場的情況下，磁阻傳感器的傳感器輸出形成了使用相敏檢測技術檢測到的二次諧波分量。二次諧波分量的幅值和相位角分別是外部場的幅度和方向的函數(shù)，從而允許確定面內場的兩個分量。檢測電路可以在傳感器芯片外部，或可以使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)エ藝與MTJ集成在硅上。圖1A是根據(jù)本發(fā)明的多層磁阻(MR)傳感器10、第一驅動帶71和第二驅動帶72的一個實施例的框圖。第一驅動帶71 (在此也被稱作第一帶71)的至少一部分65覆蓋磁阻傳感器(MS)IO以載送第一交變驅動電流。第一驅動帶71具有在第一方向延伸的尺寸。如圖1A所示，第一方向平行于X軸。第二驅動帶72 (在此也被稱作第二帶72)的至少一部分66覆蓋磁阻傳感器10和第一驅動帶71的部分65，以載送第二交變驅動電流。第二驅動帶72具有在第二方向延伸的尺寸,第二方向垂直于第一方向。如圖1A所不,第二方向平行于Y軸。因此，第二帶72覆蓋且垂直于第一帯71。第二交變驅動電流相對于第一交變驅動電流異相九十度，使得磁阻傳感器10經(jīng)受在磁阻傳感器10的X-Y平面內旋轉的周期性旋轉驅動場。在本實施例的一種實施方式中，第一方向和第二方向非正交(非平行)，且在這種情形中，第二交變驅動電流相對于第一交變驅動電流異相達將在所選平面內產(chǎn)生周期性旋轉驅動場的量。然而，這種非正交系統(tǒng)需要另外的計算且増加了系統(tǒng)的復雜度。多層MR傳感器10包括自下而上堆疊的反鐵磁體(AFM)20、合成反鐵磁體(SAF) 11、阻擋層55，以及自由層60。合成反鐵磁體11包括自下而上堆疊的鐵磁釘扎層30、Ru層40、參考層50?！白钃鯇?5”在此也被稱作“阻擋體55”。如果傳感器10是磁性隧道結傳感器，則阻擋體55就是氧化物絕緣阻擋體。如果傳感器10是GMR傳感器，則阻擋體55就是導電非磁性金屬層。參考層50的參考層磁化400在適當設計的AFM/SAF結構中是“固定”的，即，施加的磁場(達到高水平，典型地為 kOe)不會明顯改變參考層磁化400。因此，參考層50被稱作硬層。在圖1A中示出的示例性磁阻傳感器10中，參考層50的參考層磁化400平行于Y軸。參考層50直接位于阻擋體55的下面，阻擋體55將參考層50與自由層60分離。自由層非常軟，所以可以通過施加適度的驅動場來將它的磁化驅動至飽和。周期性旋轉驅動場Hrotating和所施加的任何磁場Happli6d450很容易改變自由層60的磁化。因此，自由層60被稱作軟層。自由層60的磁化率是自由層60處的所有磁相互作用的凈和的結果。這包括自由層的材料和形狀各向異性以及來自包括隧道結的其他層的場。具有圓形輪廓的自由層有利地消除了面內的形狀各向異性，不過被包括在本專利中的構思對于其他幾何形狀(例如，方形或矩形)也將有效。這里，假定使用材料、エ藝和幾何選擇的組合獲得了非常軟的自由層。這樣的材料、エ藝和幾何選擇一般為本領域技術人員所熟悉。如圖1A所示，第一交變驅動電流Itwvel (f)產(chǎn)生第一磁驅動場Htwvel (f)，而第二交變驅動電流idrive2(f+A ￠)產(chǎn)生第二磁驅動場HdHve2(f+A ￠),其中Acj5是JI/2弧度。第一交變驅動電流可以被寫成Ix(f) = I1Sin(Ot),而第二交變驅動電流idrive；2(f+A ￠)被寫作Iy(f) = I2cosOt)。第一磁驅動場Hdrivejl (f)和第二磁驅動場Hdrive2(f+A ￠)以及在自由層磁化上的外部施加的磁場Happlied450的影響，將參照圖4和5在下面描述。在外部施加的磁場Happlied450是將由磁傳感器10測量的場。術語“所施加的磁場”和“待測磁場”在此被可互換地使用。所施加的磁場Happlied450可以是弱直流磁場或者是在比驅動頻率f小得多的低頻處改變的弱磁場。AFM 20通常是由合金制成的(諸如NiMn、PtMn, IrMn或者FeMn)。通過在大約2000C _350°C范圍內的溫度在kOe級的場中對SAF/AFM11/20退火達幾小時來在釘扎層30上創(chuàng)建交換偏置。這設置了在AFM20和釘扎層30之間的界面處的AFM20中的未補償自旋的方向，因此提供了對于釘扎層30的偏置場。釘扎層30和參考層50之間的強反鐵磁耦合把參考層磁化400的方向設置成與釘扎層磁化405的方向相反。SAFll的凈磁化被調整為接近于零。因此，需要大約幾kOe的高施加場來改變釘扎層/參考層對30/50的磁化。根據(jù)公式R(0) = R0+A Rd-cos 0 )/2, 0是參考層磁化400和自由層磁化之間的夾角，磁阻傳感器10的阻抗R是參考層磁化400和自由層磁化之間的夾角的函數(shù)。Rtl是當兩個層的磁化平行時磁阻傳感器10的阻杭。因此，僅當大到足以使自由層飽和的旋轉磁驅動場HMtating440 (在此也被稱作磁驅動場Hd440)被施加到傳感器10時，在這種所施加的旋轉驅動場HMtating440的影響下，自由層磁化的旋轉產(chǎn)生了周期性的磁阻。圖1B示出在圖1A的磁阻傳感器10的X-Y平面內以角頻率co周期性旋轉的磁驅動場Hd440。正如在這里所定義的那樣，“周期性旋轉驅動場”是以一角頻率《周期性地旋轉的磁驅動場，記作Hratating = Hd = HQeiut，其中H。是磁驅動場Hd440的幅度。向量H。的尖端在X-Y平面內以每次旋轉描繪ー個圓。所有的角度都是相對于平面的X-Y坐標系的X軸被測量的。參考層磁化400相對于X軸位于角度K。如圖1B所不,夕卜部施加的待測磁場Happlied在X-Y平面內相對于X軸位于角度小。圖2A是根據(jù)本發(fā)明的磁性隧道結14、電接觸27和28、第一驅動帶71，以及第ニ驅動帶72的一個實施例的框圖。磁性隧道結(MTJ) 14是如圖1A中所示的磁阻傳感器10。圖1A中所示的阻擋層55是磁性隧道結14中的氧化物阻擋層56。非磁性帽層(cap laye`r) 61覆蓋磁性隧道結14的自由層(FL) 60。電接觸(底部引線(lead)) 27覆蓋硅(Si)襯底25上的絕緣體26。覆蓋電接觸27的非磁性種子層22被用于促進AFM層20的生長。電接觸(頂部引線)28覆蓋帽層61。絕緣體層73將電接觸28和第一驅動帶71隔離，第一驅動帶71被絕緣體層70覆蓋。第二驅動帶72的至少一部分覆蓋絕緣體層70和第一驅動帶71的至少一部分。電接觸27和28被配置成把磁性隧道結14連接到用于測量磁性隧道結14的磁阻R(e)的電路。如圖2A所示，電流被從底部引線(電接觸27)引導到頂部引線(電接觸28)。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的用于測量圖2A的磁性隧道結14的輸出電壓Vwt的電路90的一個實施例的框圖。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的巨磁阻器13、電接觸128和129、第一驅動帶71，以及第ニ驅動帶72的一個實施例的框圖。GMR 13是圖1A中所示的多層磁阻傳感器10。圖1A中所示的阻擋層55是巨磁阻器13中的非磁性導電層57(諸如，銅(Cu)層57)。巨磁阻器13能夠在電流在平面內(CIP)模式下工作。覆蓋絕緣體26的種子層22被用于促進AFM層20的生長。非磁性帽層61覆蓋巨磁阻器13的自由層60。兩個電接觸(引線I和2) 128和129覆蓋帽層60的相対的邊緣部分。電接觸128和129通過絕緣體層73被彼此分離。絕緣體層73還將電接觸128和129與第一驅動帶71隔離開，第一驅動帶71被絕緣體層70覆蓋。第二驅動帶72覆蓋絕緣體層70。電接觸128和129被配置成把磁阻傳感器10連接到用于測量巨磁阻器13的磁阻的電路。如圖2B所示，電流從引線I (電接觸128)被引導到引線2 (電接觸129)。圖3B是根據(jù)本發(fā)明的用于測量圖2B的巨磁阻器13的輸出電壓Vwt的電路91的一個實施例的框圖。在本實施例的一種實施方式中，正如本領域技術人員已知的那樣，巨磁阻器13被配置成在電流垂直于平面(CPP)模式中工作。圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的包括圖1A的磁阻傳感器的磁阻傳感器系統(tǒng)的實施例的框圖。圖4A中所示的磁阻傳感器系統(tǒng)4包括磁阻傳感器10、放大器221、第一驅動帶71、第二驅動帶72、檢測電路150、頻率發(fā)生器200、分頻器210，以及用于產(chǎn)生彼此異相/2弧度的兩個正弦驅動電流的發(fā)生器213。磁阻傳感器10被示為位于第一驅動帶71和第二驅動帶72之下的虛線框。磁阻傳感器10是磁性隧道結或者巨磁阻器。檢測電路150包括帶通濾波器220、相敏檢測器230、第一低通濾波器(LPF) 222，以及第二低通濾波器(LPF) 223。周期性輸出電壓Vwt被從磁阻傳感器10經(jīng)由放大器221輸出到檢測電路150。帶通濾波器220輸出感測電壓到相敏檢測器230。相敏檢測器230輸出表示二次諧波分量的幅值和相位，或等價地，二次諧波的X和Y-分量的信息。因此，相敏檢測器230具有兩個輸出:與二次諧波的X-分量成比例的X-輸出(Vx);與二次諧波的Y-分量成比例的Y-輸出(Vy)。使X-輸出通過低通濾波器(LPF) 222，以產(chǎn)生與所施加的場Happlied的X-分量成比例的直流信號。使Y-輸出通過低通濾波器(LPF) 223，以產(chǎn)生與所施加的場Happlied的Y-分量成比例的直流信號。如圖1A所示，磁阻傳感器10包括具有可旋轉磁化方向的鐵磁自由層60、具有釘扎的磁化方向(參考層磁化400)的鐵磁參考層50，以及其間的阻擋層55。覆蓋磁阻傳感器10的第一驅動帶71被可操作地配置成載送交變驅動電流idHvel (f)，其隨著頻率f交變。覆蓋磁阻傳感器10且正交地覆蓋第一驅動帶71的第二驅動帶72被可操作地配置成載送交變驅動電流Itwve2 (f+A ￠),其隨著頻率f交變。如圖4A所示，頻率發(fā)生器200產(chǎn)生以頻率2f交變的參考信號并將該信號輸出到分頻器210。頻率發(fā)生器200還把以頻率2f交變的信號輸出到相敏檢測器230。分頻器210把以頻率2f交變的信號分成兩半。在分頻器210的輸出處的發(fā)生器213把兩個驅動電流分別提供到相對于彼此異相^ /2弧度的驅動帶71和72。特別地，發(fā)生器213把頻率為f的第一交變驅動電流idHv6l (f)輸出到第一驅動帶71，并 把相對于idHTCl(f)異相^1/2弧度的第ニ驅動電流‘_(わ輸出到第二驅動帶72。存在可以被用以把頻率為f的彼此正交的交變驅動電流施加到第一驅動帶71和第二驅動帶72的其他技術，這是本領域技術人員能夠理解的。在本實施例的ー種實施方式中，非正交的且非平行的第一和第二帶覆蓋磁阻傳感器。在這種情況中，正如本領域技術人員在閱讀并理解了本文檔時可以理解的那樣，被分別施加到第一和第二帶的第一交變驅動電流和第二交變驅動電流是以被適當?shù)叵辔环蛛x的周期性的驅動信號所驅動的。在本實施例的一種實施方式中，發(fā)生器213同時地把信號ix(f) = I1Sin(Cot)作為第一交變驅動電流提供給第一驅動帶71，且把信號iy(f) = i2cos(cot)作為第二交變驅動電流提供給第二驅動帶72。在一些實施例中，I1 = i2。為了便于觀察磁阻傳感器10中的場，將磁阻傳感器10連接到電路(諸如分別在圖3A和3B中所示的電路90和91)的引線沒有在圖4A中示出。第一驅動電流iWvel(f)(其在圖1A中被示為第一驅動帶71中標有431的雙箭頭)產(chǎn)生第一磁驅動場Hwvel (f)(其在圖1A中被示為標有433的圓形雙箭頭)。第二驅動電流idrive2 (f+A ￠)(其在圖1A中被示為第二驅動帶72中標有432的雙箭頭)產(chǎn)生第二磁驅動場Htwve2 (f+ A小)(其在圖1A中被示為標有434的圓形雙箭頭)。第一磁驅動場Htwvel (f) 433和第二磁驅動場Hwve2 (f+A ￠)434兩者都延伸到自由層60中并彼此疊加，以形成周期性旋轉驅動場Hrotating，其在X-Y平面內旋轉，如圖1A和4A中標有440的圓形箭頭所示?！爸芷谛孕D驅動場440”還被在此稱作“周期性旋轉磁驅動場440”。如圖1A、4A和4B所示，如在反Z方向觀看，周期性旋轉驅動場HMtating440逆時針(CCW)旋轉，自由層磁化被周期性地旋轉以與在自由層60中的旋轉的磁場平行。在本實施例的一種實施方式中，相位延遲△小被加到被施加于第一驅動帶71而不是第二驅動帶72的電流。在這種情況中，如在反Z方向觀看，周期性旋轉驅動場Hrotating440順時針(CW)旋轉。周期性旋轉驅動場HMtating440將磁阻傳感器10的工作點移動超過1/f噪聲功率譜密度曲線的拐點以利用MTJ或者GMR的高A R/R。因此，周期性旋轉驅動場Hrotating440有利地允許磁阻傳感器系統(tǒng)4達到高信噪比，或者相反地，達到更低的最小可檢測場(mdf)。正如在這里所定義的那樣，磁阻傳感器的工作點是磁阻傳感器10的噪聲對頻率函數(shù)上的點，在此處，磁阻傳感器10被周期性旋轉驅動場HMtating440驅動而工作。磁阻傳感器10 (磁性隧道結14或者巨磁阻器13)提供了自由層的磁感應和阻抗之間的傳遞函數(shù)，以使得在檢測電路150中可以進行電壓測量。特別地，在第一驅動電流idHvel (f) 431和第二驅動電流idHve2 (f+ A小)432的范圍內(具有高到足以使自由層60飽和，但低到足以使參考層50基本上不受影響的幅值)，自由層磁化421周期性地旋轉過360度(2 弧度)，以產(chǎn)生磁阻傳感器10內周期性的阻抗變化。如圖4A中的磁傳感器10的俯視圖所示，自由層磁化421’在第一時間h位于與參考層磁化400成角度0 i處，而在t2時間，自由層磁化421”位干與參考層磁化400成角度0 2處。當僅有周期性驅動電流被施加到磁阻傳感器10，并且沒有直流(或者低頻)磁場Happlied450存在時，磁阻傳感器10的理想輸出僅包括頻率f的奇次諧波倍數(shù)。—般地，自由層60的磁化(自由層磁化421)的動態(tài)取決于自由層60和磁阻傳感器10的尺寸、高寬比、和其它材料屬性(晶粒尺寸、缺陷密度、4 JiMs)。對更大的磁阻傳感器10 (尺寸> I U m)，在從ー個飽和狀態(tài)到相反飽和狀態(tài)的轉換期間磁化的動態(tài)包括疇壁動態(tài)(domain wall dy namics)。疇壁介導(mediated)轉換通常包括巴克豪斯跳躍,其為巴克豪森噪聲的源。對于尺寸小于 I μ m的尺寸的磁阻傳感器10，自由層60通過成核作用和磁通潤旋(magnetic vortice)的傳播從一個飽和狀態(tài)轉換到相反的飽和狀態(tài)。上述尺寸依賴性并不精確，且從疇壁介導動態(tài)到渦旋介導動態(tài)的過渡也是構成傳感器的鐵磁材料的其他材料參數(shù)的函數(shù)。這些動態(tài)也適用于磁化狀態(tài)的任何大的改變，而不限于從一個飽和狀態(tài)另一飽和狀態(tài)的轉換。當自由層60的磁化被周 期性旋轉磁驅動場HMtating440連貫地旋轉時，巴克豪森噪聲被減小。因此，自由層磁化421的連貫旋轉通過保持周期性旋轉磁驅動場HMtating440來確保。周期性旋轉磁驅動場HMtating440的幅度通過檢查磁阻傳感器10的輸出波形的質量而根據(jù)經(jīng)驗確定。因為磁阻傳感器10具有小的尺寸，因此第一驅動帶71和第二驅動帶72工作時以電流和功率的適度值產(chǎn)生周期性旋轉磁驅動場Hrotating440。當待測外部磁場Happlied450被施加到磁阻傳感器10時，待測磁場Happlied450被疊加于磁阻傳感器10的X-Y平面內的周期性旋轉磁驅動場HMtating440上。在這種情況中，自由層60中的磁場等于周期性旋轉驅動場HMtating440和在外部施加的磁場450的疊加。由這種疊加造成的磁阻傳感器10的輸出包括偶次諧波分量。最低階偶次諧波是頻率為2f的二次諧波分量。檢測電路150提取磁阻傳感器10的輸出電壓Vrat的二次諧波分量。待測磁場Happliral450在X-Y平面內的幅度(在圖1B中所示的示范性情況中的|Happlied|)與所提取的輸出電壓Vwt的二次諧波分量的幅值成比例。待測磁場Happlied450在X-Y平面內的方向(在圖1B中所示的示例性情況中的角度Φ)僅僅與所提取的輸出電壓Vtjut的二次諧波分量的相位角有關?，F(xiàn)在推導所施加的場Happlied450與二次諧波的幅值和相位角之間的數(shù)學關系。首先假設，外部場h為零(例如，h = Happlied = O)。旋轉驅動場Hd (例如，Hd = Hrotating)被以頻率f施加在傳感器的平面內。驅動場的幅值使得它不會影響參考層。還假設，自由層60的各向異性足夠小且驅動場Hd足夠大，驅動場Hd使自由層磁化(在圖4A和圖4B中所示的421’和421”)飽和，即，自由層磁化總是指向旋轉驅動場Hd的瞬時方向。驅動場由Hd = H0exp (i ω t)給出，其中ω = 2 Ji f。用上述飽和的假設,磁阻(MR)也是頻率為f的正弦曲線。接下來，在正弦驅動場和外部場h存在的情況下，自由層磁化現(xiàn)在指向總的場向量Hd ( ω) +h的方向。使用復數(shù)符號，在自由層磁化的方向中的單位向量由下式給出:
權利要求
1.種用于測量平面(X-Y)內的所施加的磁場(450)的方法，該方法包括: 施加第一交變驅動電流(431)到第一帶(71)，其中第一帶的至少一部分￠5)覆蓋磁阻傳感器(10),第一帶具有在第一方向(X)延伸的尺寸； 同時施加第二交變驅動電流(432)到第二帶(72)，其中第二帶的至少一部分￠6)覆蓋第一帶的至少一部分，第二帶具有在第二方向(Y)延伸的尺寸，第二方向不平行于第一方向，且第二交變驅動電流相對于第一交變驅動電流是異相的，其中磁阻傳感器經(jīng)受在磁阻傳感器中的平面內旋轉的周期性旋轉磁驅動場(440);以及 當所施加的待測磁場被疊加于在平面內旋轉的周期性旋轉磁驅動場吋，提取從磁阻傳感器輸出的輸出電壓(Vtjut)的二次諧波分量，其中所施加的待測磁場在平面內的幅度與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的幅值(IHappliedI)成比例，且其中所施加的待測磁場在平面內的方向(￠)與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的相位角有夫。
2.權利要求1的方法,進ー步包括: 輸出表示所提取的輸出電壓(Vwt)的二次諧波分量的X-投影的信號(330);以及 輸出表示所提取的輸出電壓的二次諧波分量的Y-投影的信號(331)。
3.種用于測量磁場(450)在平面(X-Y)內的方向(￠)和幅度(IHappliedI)的磁阻傳感器系統(tǒng)(4)，該磁阻傳感器系統(tǒng)包括: 磁阻傳感器(10)，其包括具有可旋轉磁化方向的鐵磁自由層(60)、具有釘扎的磁化方向的鐵磁參考層(50)，以及 其間的阻擋層(40)； 第一帶(71)，其覆蓋磁阻傳感器以載送第一交變驅動電流(431)； 第二帶(72)，其覆蓋磁阻傳感器以載送第二交變驅動電流(432)，第二交變驅動電流相對于第一交變驅動電流是異相的，其中第二帶覆蓋第一帶的一部分(66)，且其中磁阻傳感器經(jīng)受在平面內旋轉的周期性旋轉驅動場(440);以及 檢測電路(150)，用于接收從磁阻傳感器(10)輸出的輸出電壓(Vwt)并提取輸出電壓的二次諧波分量，其中待測磁場(450)的幅度(|Happliral|)與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的幅值成比例，且其中待測磁場的方向僅與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的相位角有夫。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用單個磁阻傳感器確定磁場的面內磁場分量的裝置和方法。提供了一種用于測量在平面內的所施加的磁場的方法。該方法包括同時分別施加第一和第二交變驅動電流到覆蓋磁阻傳感器的第一和第二帶，以使磁阻傳感器經(jīng)受在磁阻傳感器的平面內旋轉的周期性旋轉磁驅動場。當所施加的待測磁場被疊加于在平面內旋轉的周期性旋轉磁驅動場上時，該方法包括提取從磁阻傳感器輸出的輸出電壓的二次諧波分量。待測磁場在平面內的幅度與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的幅值成比例。待測磁場在平面內的方向與所提取的輸出電壓的二次諧波分量的相位角有關。
文檔編號G01R33/09GK103091650SQ20121055866
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月4日
發(fā)明者B·B·潘特, L·維塔納瓦薩姆 申請人:霍尼韋爾國際公司