專利名稱：磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場傳感器。具體的，本發(fā)明涉及用于磁場零相交檢測的AMR(各向異 性磁電阻)傳感器應(yīng)用，以及要求最佳線性的其他磁場傳感器應(yīng)用。
背景技術(shù)：
磁傳感器在各個產(chǎn)業(yè)中變得日益重要。尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)傳感器中，為了提供舒 適性和安全性，在現(xiàn)代汽車中可以發(fā)現(xiàn)各種傳感器，例如停車傳感器、角度傳感器、ABS(自 動制動系統(tǒng))傳感器以及胎壓傳感器。磁傳感器在汽車應(yīng)用中尤其重要，因為磁場更容易 穿透大多數(shù)材料。與例如光學(xué)傳感器不同，磁傳感器也對灰塵極其不敏感。目前有幾種不同的磁傳感器技術(shù)可用，例如基于霍爾效應(yīng)或磁電阻效應(yīng)的傳感 器。各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)傳感器是基于磁電阻效應(yīng)的傳感器類型的具 體實例?；魻栃?yīng)傳感器可以被單片集成到集成電路中，這使得集成電路更廉價，但是這種 傳感器的低靈敏度和由此產(chǎn)生的不準確性也是眾所周知的。盡管AMR傳感器具有比霍爾效 應(yīng)傳感器高得多的靈敏度，AMR傳感器需要更多的制作步驟，因為它們不能被單片集成，使 得整個傳感器系統(tǒng)更加昂貴。通常在單獨的管芯上或單片結(jié)構(gòu)的頂部上濺射M8tlFe2tl來沉 積AMR傳感器。經(jīng)常采用退火工藝(有時在磁場中)提高在磁電阻材料的磁狀態(tài)的穩(wěn)定性。GMR傳感器典型地具有比AMR傳感器更高的靈敏度。然而，GMR傳感器包括各種薄 層和重要的界面。制作這種傳感器所需的技術(shù)是相當復(fù)雜并且昂貴的。此外，由于構(gòu)成GMR 傳感器的多個薄層，工作溫度范圍也受限制。因此，在磁傳感器應(yīng)用中，作為折中，通常選擇 AMR傳感器。在圖1左邊中描述出AMR傳感器(101)。向AMR傳感器供給感測電流Isense，該感 測電流Ise■可以從例如與電阻R串聯(lián)的參考電壓提取。在圖1右邊(102)中示出了 典型的AMR傳遞函數(shù)，定義為隨所施加(或外部)磁場Hext而變化的AMR傳感器電阻RMK。 傳遞函數(shù)關(guān)于y軸對稱，因此在Hrait的零相交附近具有消失的靈敏度。這嚴重地妨礙了零 場相交(zero-field crossings)的精確檢測對于這種對稱傳遞曲線，電子噪聲和其他的 干擾電子信號在Hrart = 0處或周圍時具有很大影響。解決這個問題的一種已知方法是在AMR傳感器的頂部增加一個線圈，見圖2左邊 (201) 0當通過線圈驅(qū)動DC電流(Ibias)時，在AMR傳感器中產(chǎn)生一個附加磁場Hbias。現(xiàn)在， AMR傳感器的偏置點在AMR傳遞函數(shù)上已經(jīng)從0(20 移至HbiasQ03)，見圖2右邊。現(xiàn)在， AMR在零Hext處是靈敏的，并且AMR傳感器對正弦Hrart的響應(yīng)可能看起來如圖2右邊所描述 的那樣。不幸的是，由于一般由DC偏置獲得的不是完全的反對稱傳遞曲線，所以在正和負 的半周期中的差異是很明顯的。因此，外部場的零相交與傳感器的電阻的平均值不一致。 所以，這個平均值不能用于檢測零磁場相交。而且，從與這個平均AMR電阻水平獲得實際零 磁場相交的偏差取決于外部場的幅度(并且也取決于偏置場的大小、傳遞曲線的形狀等)。 這妨礙了從單個AC AMR輸出信號檢測零磁場相交的穩(wěn)健而可靠。
因為傳遞曲線不是完全反對稱的(大約在點203)，所以產(chǎn)生偶數(shù)階失真分量。也 就是說，如果向傳感器施加正弦場Hrart，在AMR傳感器輸出電阻上的頻譜分析(FFT)不僅會 顯示來自完全反對稱傳遞曲線的奇次諧波，也會顯示由傳遞曲線的(偏移的)對稱特性產(chǎn) 生的一些偶次諧波。解決這些問題的一種已知方法是利用AMR傳感器中的barber電極(barber poles)。這些電極強制電流按照一定方向在傳感器中流動。barber電極型傳感器元件的缺 點是在元件中的各處磁化翻轉(zhuǎn)時輸出曲線改變其符號，例如由于大磁場尖峰信號(field spike)。這將會導(dǎo)致對施加的磁場的符號的錯誤理解。如果元件小部分翻轉(zhuǎn)，則導(dǎo)致降低的 靈敏度。當這個效果在兩個元件中不相等時(最有可能)，為導(dǎo)致非完全反對稱輸出(NOT purely anti-symmetric output)，以及這導(dǎo)致零相交的“失真”。上述的錯誤狀態(tài)可能是永 久的，直到發(fā)生下一個大磁場脈沖。因此，需要其中可以更容易地以及更可靠地檢測零點相交的AMR傳感器配置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種AMR傳感器，包括至少第一和第二 AMR傳感器元件；用于向第一 AMR傳感器元件施加第一 DC偏置場以及向第二 AMR傳感器元件施加 相反的第二 DC偏置場的裝置；以及用于組合第一和第二 AMR傳感器元件的輸出以獲得傳感器響應(yīng)的裝置，該傳感器 響應(yīng)在接近零外磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。該配置偏移AMR傳感器元件的零檢測點而遠離響應(yīng)曲線的最大值，以獲得在零輸 入場鄰近的靈敏度。為了克服響應(yīng)不是反對稱的問題，組合來自(至少)兩個傳感器元件 的信號。用于施加DC偏置的裝置優(yōu)選地提供具有沿著第一敏感方向的分量的第一 DC偏置 場以及具有沿著相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置場。用于施加DC偏置的裝置可以包括緊鄰傳感器元件的一個線圈或多個線圈(例如 每個傳感器元件一個線圈，或多個傳感器元件上覆蓋一個線圈)。用于組合的裝置可以實現(xiàn)為電路配置，例如可以包括具有串聯(lián)的第一和第二傳感 器元件的電路配置，在傳感器元件之間的節(jié)點處限定輸出電壓。以這種方式，輸出電壓與傳 感器元件的電阻之間的差異相關(guān)。差分放大器可以用于從電橋測量輸出電壓。這從提供電橋的電壓源建立了高抑制噪聲。在另一實例中，電路配置有與差分放大器的輸入端子連接的第一和第二傳感器元 件。 可以存在著按照兩個并行電路分支設(shè)置的兩對AMR傳感器元件。這能夠改善差分感測。例如第一分支可以包括向其施加第一DC偏置場的第一AMR傳感器元件，以及向其施加 第二 DC偏置場的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件和第二 AMR傳感器元件從高電 源端子至低電源端子串聯(lián)；以及
第二分支可以包括向其施加第二DC偏置場的第一AMR傳感器元件，以及向其施加 第一 DC偏置場的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件和第二 AMR傳感器元件從高電 源端子至低電源端子串聯(lián)。待檢測的外磁場優(yōu)選地沿著AMR傳感器元件的最敏感方向?qū)?，例如與每一個 AMR傳感器元件垂直。本發(fā)明也提供一種AMR感測方法，包括向第一 AMR傳感器元件施加第一 DC偏置場；向第二 AMR傳感器元件施加相反的第二 DC偏置場；以及組合第一和第二 AMR傳感器元件的輸出以獲得傳感器響應(yīng)，該傳感器響應(yīng)在接近 零外磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。


現(xiàn)在將參考附圖詳細說明本發(fā)明的實例，其中圖1示出了已知的AMR傳感器以及典型的AMR傳遞函數(shù)；圖2示出了在頂部添加線圈的圖1中的傳感器以及改變的AMR傳遞函數(shù)；圖3示出了本發(fā)明的AMR傳感器的第一實例以及傳遞函數(shù)；圖4示出了設(shè)置為差分傳感器的圖3中的傳感器的傳遞函數(shù)；圖5示出了具有一個可能的讀出電路的圖3中的傳感器；圖6示出了具有相關(guān)讀出電路的本發(fā)明的AMR傳感器的第二實例，以及圖7示出了采用按照電橋配置設(shè)置的四個AMR元件的本發(fā)明的AMR傳感器的第三 實例。
具體實施例方式本發(fā)明提供具有向其施加相反的偏置場的至少兩個AMR傳感器元件的AMR傳感 器。第一和第二 AMR傳感器元件的輸出被組合以獲得傳感器響應(yīng)，該傳感器響應(yīng)在接近零 外磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。以這種方式，可進行零相交的檢測。強輸出的結(jié)果是在外磁場的正和負的半周期 之間形狀沒有差異。例如，當圖3中示出的兩個180°偏移的輸出信號彼此相減時，消除了在正和負的 半周期中的差異。在圖3左邊中，相對應(yīng)的兩個傳感器(301+302)串聯(lián)設(shè)置，并且連接至DC 參考電壓和接地，以向其提供感測電流Ismse。通過在兩個AMR傳感器頂部放置單個線 圈或兩個獨立的線圈可以產(chǎn)生局部偏置場。線圈電流Ibias在上部AMR中產(chǎn)生場+Hbias并在 下部AMR中產(chǎn)生-Hbias (反之亦然)。DC偏置場的至少一個分量與AMR傳感器的敏感方向平行。與AMR元件的最長尺 寸(longest dimension)平行的DC偏置場的可能的其他分量對元件的額外穩(wěn)定性可能是 有用的。外磁場優(yōu)選地沿著最敏感的方向，即通常與元件的最長尺寸垂直。兩個傳感器都具有相反的偏置點。傳感器301具有偏置點303，并且傳感器302具 有偏置點304。現(xiàn)在在外磁場中的零相交即Hrart = O時，兩個AMR電阻彼此相交。當提供給兩個傳感器相同的感測電流，兩個傳感器信號之間的差異通過差分放大器放大時，則強輸 出信號的零對應(yīng)于外磁場的零零相交是“無失真的”。這種差分AMR傳感器的另一個優(yōu)點是溫度漂移和其他常見的干擾信號被強烈抵 消。在圖4001)中示出了傳感器組合的傳遞函數(shù)。在圖中，對于不同的線圈電流，示 出輸出電壓v。ut。對于零偏置電流(曲線I1),靈敏度為零，因為兩個AMR傳感器在AMR曲 線的頂部(相同的偏置點)時沒有靈敏度。如果對兩個傳感器增加一個外磁場，則兩個傳 感器的AMR電阻相等，并且半橋的輸出將總是0.5V&。在增加線圈電流(分別是曲線I2至 I5)時，靈敏度也變得更大，因為偏置點向AMR曲線的陡峭的部分偏移。對于非常大的線圈 電流，靈敏度再次降低，因為偏置點偏移至幾乎沒有或完全沒有靈敏度的AMR曲線的平坦 的部分，但是這些沒有在圖4中示出。圖4的傳遞函數(shù)是完全反對稱的(或奇數(shù)階)，這意味著其零相交不是“失真的”， 即與Hext中的零相交一致。此外，AMR半橋的傳遞函數(shù)在零附近呈線性，這意味著對于小正 弦場Hrart，半橋的輸出將是幾乎沒有失真的正弦波形。在根據(jù)本發(fā)明的配置中，AMR傳感器的磁化的完全翻轉(zhuǎn)不是問題(與barber電極 方法相反)，因為AMR電阻值在完全翻轉(zhuǎn)之前和之后是相同的(在沒有施加平行于元件的最 長尺寸的DC偏置場分量時如此)。在圖5中示出了一個可能的讀出電路。用V。ut表示的AMR半橋輸出端子連接至差 分放大器(501)的一個輸入端子。放大器的另一個輸入端子連接至電阻分壓器(502)的中 間，輸出參考電壓的一半。由此，通過相等的兩個半橋抑制在電源上的噪聲。在圖6中示出了圖5中的兩個傳感器的其他可能的電路實現(xiàn)，其中第一和第二傳 感器元件并聯(lián)，相應(yīng)的輸出電壓提供給差分放大器。采用單獨的電阻器、2個單獨的電流源或者可以向AMR傳感器提供感測電流的任 何其他設(shè)備(601)，向兩個AMR傳感器提供感測電流(如圖所示)。此外，AMR傳感器的另 一(較低)側(cè)可以連接至地或任意DC電壓。只要Hbias具有與Hrart平行的部分，就可以以任 意方式偏置AMR傳感器。AMR傳感器頂部的線圈可以以各種方式連接?？梢圆捎迷谛酒?的兩個分別連接的線圈或者串聯(lián)的兩個線圈，只要通過線圈的電流方向使得電流在兩個傳 感器的位置處產(chǎn)生與Hext平行的相反的偏置場分量。線圈也可以并聯(lián)連接。在圖7中示出一個“完全差分”(truly differential)配置。在這個全橋中采用 了四個AMR傳感器。線圈電流以這種方式連接兩個AMR半橋在相反的偏置點處工作。當 相鄰的元件受到相反的偏置場時，可以獲得合適的橋特性，參見圖7中的偏置場符號。在這個設(shè)計中，第一分支包括向其施加第一 DC偏置場的第一 AMR傳感器元件，以 及向其施加第二 DC偏置場的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件和第二 AMR傳感器 元件從高電源端子至低電源端子串聯(lián)；并且，第二分支包括向其施加第二 DC偏置場的第一 AMR傳感器元件，以及向其施加第一 DC偏置場的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件 和第二 AMR傳感器元件從高電源端子至低電源端子串聯(lián)。與采用僅僅兩個AMR的半橋相比，該四個AMR的橋配置提高了整個配置的靈敏度 達兩倍因子。差分放大器的兩個輸入端子可以直接連接至兩個半橋的兩個輸出。在該四個 傳感器的橋中，在任何情況下可以獲得全橋的所有四個元件的最佳相等。由此橋具有最佳的共模抑制比(除了其最大輸出)，使得所有類型的常見錯誤(如溫度漂移、電源噪聲等) 得到最佳抑制。沒有給出各個AMR傳感器元件的詳細設(shè)計，因為這些完全是常規(guī)的。AMR傳感器 元件是基于材料特性工作的器件，其中可以觀察到電阻與電流方向和磁場方向之間的夾 角的的相關(guān)性。這種效應(yīng)是由于沿著磁化方向的傳導(dǎo)電子的s-d散射的較大的概率。凈 效應(yīng)是當電流方向與磁化方向平行時，電阻具有最大值。在一些鐵磁鈾化合物(uranium compounds)中，可以觀察到高達50%的AMR效應(yīng)。各種改變對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種AMR傳感器，包括至少第一和第二 AMR傳感器元件(301、302)；用于向第一 AMR傳感器元件施加第一 DC偏置場(Hbias)以及向第二 AMR傳感器元件 施加相反的第二 DC偏置場(-Hbias)的裝置；以及用于組合第一和第二 AMR傳感器元件的輸出以獲得傳感器響應(yīng)的裝置，該傳感器響應(yīng) 在接近零外磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中用于施加DC偏置的裝置提供具有沿著第一敏感 方向的分量的第一 DC偏置場(Hbais)以及具有沿著相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置 場(-Hbias)ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中用于施加DC偏置的裝置包括緊鄰傳感器元件 (301,302)的一個線圈或多個線圈。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的傳感器，其中用于組合的裝置包括具有串聯(lián)的第 一和第二傳感器元件(301、302)的電路配置，在傳感器元件(301、30幻之間的節(jié)點處限定 輸出電壓(Vout)，使得該輸出電壓取決于傳感器元件(301、302)的電阻之間的差異。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，包括差分放大器(501)，用于參照參考電壓測量輸出 電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的傳感器，其中用于組合的裝置包括具有第一和 第二傳感器元件的電路配置，第一和第二傳感器元件連接至差分放大器的輸入端子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的傳感器，包括按照兩個并行的電路分支設(shè)置的 至少兩對AMR傳感器元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中第一分支包括向其施加第一 DC偏置場(Hbias)的第一 AMR傳感器元件，以及向其施加 第二 DC偏置場(-Hbias)的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件和第二 AMR傳感器 元件從高電源端子(U至低電源端子串聯(lián)；以及第二分支包括向其施加第二 DC偏置場(-Hbias)的第一 AMR傳感器元件，以及向其施 加第一 DC偏置場(Hbias)的第二 AMR傳感器元件，第一 AMR傳感器元件和第二 AMR傳感器 元件從高電源端子(U至低電源端子串聯(lián)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的傳感器，其中待檢測的外磁場沿著AMR傳感器元件 (301、302)的最敏感方向?qū)省?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中在零磁場相交期間的外磁場與每一個AMR傳感器 元件實質(zhì)上垂直地對準。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的傳感器，還包括基于與零相交的傳感器響應(yīng)而檢 測零相交的裝置。
12.—種AMR感測方法，包括向第一 AMR傳感器元件(301)施加第一 DC偏置場(Hbais)；向第二 AMR傳感器元件(302)施加相反的第二 DC偏置場(-Hbais)；以及組合第一和第二 AMR傳感器元件的輸出以獲得傳感器響應(yīng)，該傳感器響應(yīng)在接近零外 磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。
13.根據(jù)權(quán)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偏置場(Hbias)；以及 提供具有沿相反的敏感方向的分量的第二 DC偏置場(-Hbias)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中所述組合包括提供串聯(lián)的第一和第二傳感器元件(301、302)，在傳感器元件之間的節(jié)點處限定輸出 電壓(Vout)，使得該輸出電壓取決于傳感器元件的電阻之間的差異。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，包括基于與零相交的傳感器響應(yīng)而檢測零 相交。
全文摘要
一種AMR傳感器，包括向其施加相反的偏置場的至少第一和第二AMR傳感器元件。第一和第二AMR傳感器元件的輸出被組合以獲得傳感器響應(yīng)，該傳感器響應(yīng)在接近零外磁場的區(qū)域中實質(zhì)上是反對稱的。該配置偏移AMR傳感器元件的零檢測點而遠離響應(yīng)曲線的最大值，以獲得在零輸入場鄰近的靈敏度。為了克服響應(yīng)不是反對稱的問題，組合來自(至少)兩個傳感器元件的信號。
文檔編號G01R33/09GK102073023SQ201010543819
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者亞普·魯伊戈羅克, 安德烈亞斯·伯納德斯·瑪麗亞·揚斯曼, 羅伯特·亨里克斯·瑪格麗塔·范費爾德溫 申請人:Nxp股份有限公司