本發(fā)明一般涉及磁場傳感器的場，更具體地涉及減小磁場傳感器中的噪聲和偏移的方法。

背景技術：

磁場傳感器常用于諸如計算機、便攜式計算機、媒體播放器、智能電話等各種電子裝置。存在可用于檢測磁場的許多技術/裝置。隧穿磁阻(TMR)由于它相比于其他磁傳感器而言在靈敏度、功率和處理成本方面有優(yōu)勢，導致它是有前途的用于手持機應用的磁感測技術。磁場感測中的另一種密切相關技術是巨磁阻(GMR)。

TMR元件由通過非磁性、絕緣隧道勢壘分隔的兩個鐵磁層組成。一個層具有“自由”地在磁場中旋轉的磁化方向。另一個層具有“固定的”參考磁化，該參考磁化在所感測關注的中等至低強度的磁場中時不旋轉。如果這兩個層的磁化方向彼此平行，則隧道勢壘的電阻低。相反地，當磁化方向反平行時，電阻高?；赥MR的磁場傳感器因此通過電阻改變將磁場轉換成電信號，該電阻改變是由于磁自由層相對于固定層的角度響應于場而改變所導致的。

在這種類型的傳感器中，因層中的一個或兩個中的區(qū)域的磁取向波動造成磁1/f噪聲。這些波動形成在目標信號中作為噪聲出現(xiàn)的不同時標處的電阻改變并且不可被簡單過濾出。1/f噪聲(也被稱為粉紅噪聲)是具有與信號頻率成反比的頻譜密度(能量或功率/Hz)的信號或波動處理。另外，還會因任一磁性膜中的區(qū)域的磁取向的差異而形成零場偏移，該差異可取決于傳感器中的溫度或應力。

因此，將期望的是具有有效減小TMR磁場傳感器中的1/f噪聲和偏移的系統(tǒng)、裝置和方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的某些實施例提供了使用特有的雙極斬波(chopping)技術來抵消TMR傳感器內的1/f噪聲和偏移作用的系統(tǒng)、裝置和方法。如之前描述的，TMR磁場傳感器中存在磁1/f磁噪聲并且該噪聲可減弱這些傳感器的性能和靈敏度。在用于圍繞和運動感測應用的低頻(<100Hz)下，1/f磁噪聲作用變得顯著。該噪聲表明TMR傳感器橋的零場偏移的低頻彎曲(meander)，從而降低精度。

根據本發(fā)明的各種實施例，實現(xiàn)斬波技術和相關結構來抵消TMR場傳感器內的磁1/f噪聲作用和偏移。TMR場傳感器包括第一橋電路，第一橋電路包括被配置成感測磁場的多個TMR元件。各TMR元件包括通過非磁性、絕緣隧道勢壘分隔的第一鐵磁層和第二鐵磁層。TMR場傳感器還包括第二電路，第二電路被配置成與TMR元件中的每個相鄰地施加雙極電流脈沖。

在某些實施例中，第二電路包括與第一橋電路的各TMR元件的第二(固定)鐵磁層相鄰地布置的多個內置電流線。所述電流線連續(xù)或順序地連接到場源并且向所有電流線施加所述雙極電流信號。當施加雙極電流脈沖時，在第一(自由)鐵磁層上生成磁場脈沖。根據所施加電流脈沖的極性，所生成的磁場將第一自由鐵磁層切換成第一或第二對準(alignment)。

當與TMR元件中的每個相鄰施加雙極電流脈沖時，自由層取向切換成與電流脈沖極性對準。在脈沖完成之后，針對自由層對準的該極性，測量傳感器輸出。在各自由層極性處測得的所測得傳感器輸出信號沒有改變符號，但磁1/f噪聲作用和偏移改變符號。這個不對稱響應允許斬波技術，在該技術中，以所期望的輸出數據速率的至少兩倍的重復速率，在第一時間段中在第一方向上施加磁場，然后在第二時間段中向第二方向施加磁場。這兩個時間段的傳感器輸出信號被組合，因此相長地添加了磁場感測信號，但是1/f噪聲和偏移作用被抵消。在一個實施例中，在所述第一方向和所述第二方向上施加的磁場與自由鐵磁層完全對準。在另一個實施例中，針對所期望(或更好的)切換分布，在所述第一方向和所述第二方向上施加的磁場與自由鐵磁層成偏移角度取向對準。

本發(fā)明的所有方面也將應用于基于GMR的裝置。這里公開的本發(fā)明還應用于利用用于感測磁場的軟磁膜的任何磁感測技術(例如，AMR、磁通門、具有磁通集中器的Hall)。為了簡便和清晰起見，將使用TMR技術作為示例在本文獻中描述本發(fā)明。

附圖說明

將參照附圖中示出的本發(fā)明的示例性實施例。這些附圖旨在是例證性的，而非限制性的。雖然本發(fā)明一般是在這些實施例的背景下描述的，但不旨在通過這樣做將本發(fā)明的范圍限于所描繪和描述的實施例的特定特征。

圖1是根據本發(fā)明的各種實施例的TMR磁場傳感器的示例性結構概況。

圖2是根據本發(fā)明的各種實施例的單個TMR元件的剖視圖。

圖3是根據本發(fā)明的各種實施例的兩種不同斬波狀態(tài)的示例性圖。

圖4是根據本發(fā)明的各種實施例的用于Z軸的橋電路的示例性圖。

圖5是根據本發(fā)明的各種實施例的示例性控制電流信號。

圖6是根據本發(fā)明的各種實施例的示例性傳感器輸出信號。

圖7是根據本發(fā)明的各種實施例的驗證測量結果的圖。

圖8是根據本發(fā)明的各種實施例的用于順序重置和控制邏輯的多工(多路復用)H橋的示例性圖。

圖9是根據本發(fā)明的各種實施例的讀取鏈的示例性圖。

本領域的技術人員將認識到，可按照說明書實踐本發(fā)明的各種實現(xiàn)方式和實施例。所有這些實現(xiàn)方式和實施例旨在被包括在本發(fā)明的范圍內。

具體實施方式

在下面的描述中，出于說明的目的，闡述具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的理解。然而，本發(fā)明可在沒有這些細節(jié)中的一些或全部的情況下實踐。以下描述的本發(fā)明的實施例可被并入多個不同的電子部件、電路、裝置和系統(tǒng)中。用框圖示出的結構和裝置是本發(fā)明的示例性實施例的例證并且將不被用作模糊本發(fā)明的廣義教導的托詞。附圖內的部件之間的連接不旨在限于直接連接。相反，可對部件之間的連接進行修改、重新格式化、或以其他方式通過中間部件進行改變。

當說明書引用“一個實施例”或“實施例”時，旨在意味著結合正在討論的實施例描述的特定特征、結構、特性或功能被包括在本發(fā)明的至少一個預料實施例中。因此，說明書中的不同地方出現(xiàn)短語“在一個實施例中”沒有構成對本發(fā)明的單個實施例的多次引用。

本發(fā)明的各種實施例用于諸如計算機、便攜式計算機、媒體播放器、智能電話、可穿戴電子器件等各種電子裝置中使用的TMR磁場傳感器中的1/f噪聲減小和偏移減小。TMR磁場傳感器和其中的單個TMR元件可被集成在單個部件上或者包含分立的部件。此外，本發(fā)明的實施例可應用于多種多樣的技術和方法。

圖1示出根據本發(fā)明的各種實施例的TMR磁場傳感器100的示意圖。磁場傳感器100包括由電壓源300供能的第一橋電路200、由可選的穩(wěn)定場源500供能的第二電路400。在一個實施例中，場源500是電流源。第一橋電路200包括多個TMR元件210。橋電路200可以是半橋電路、全橋電路、或其任何組合。在一個實施例中，第一橋電路200是具有兩個電路分支的橋電路，這兩個分支之間的橋輸出信號260處于沿著分支的某個中間點。

圖2示出根據本發(fā)明的各種實施例的單個TMR元件210的剖視圖。TMR傳感器210由通過非磁性、絕緣隧道勢壘216分隔的第一鐵磁層212和第二鐵磁層214。在一個實施例中，第一層212具有在磁場中自由旋轉的磁化方向232。第二層214具有當在磁場中時不旋轉的固定參考磁化方向234。如果這兩個層的磁化方向彼此平行，則隧道勢壘216的電阻低。相反地，當磁化方向反平行時，電阻高。TMR元件因此通過由于磁自由層相對于固定層的角度響應于磁場而改變所導致的電阻改變，將磁場轉換成電信號。鐵磁層212和214可由諸如Ni、Fe或其合金的任何合適鐵磁材料形成。絕緣隧道勢壘216可由諸如AlO_x、MgO_x、ZrO_x、TiO_x、HfO_x、或其任何組合的絕緣體材料組成。

在一個實施例中，第一鐵磁層212通過第一接觸件222連接到第一導電線224，第二鐵磁層214通過第二接觸件226連接到第二導電線228，第二接觸件226可從第二鐵磁層上方以及下方接觸。

在一個實施例中，第二電路400包括與各TMR元件210的第二鐵磁層214相鄰地布置的多個內置電流線410。電流線410被連接，使得對用于各TMR元件210的電流線施加電流脈沖。根據各種實施例，電流線410的連接可以是連續(xù)的、順序的或時間多路復用的。在另一個實施例中，電流線也可與第一鐵磁層212相鄰地布置，或者與各TMR元件210的第一鐵磁層和第二鐵磁層二者相鄰地布置。第一鐵磁層212被圖案化成具有長短軸的形狀。在零磁場中，第一鐵磁層212的磁化方向沿著元件的長軸設置并且可沿著該軸在兩個方向中的任一個方向上定向。通過向電流線410施加控制電流信號，在電流線周圍的周遭區(qū)域中，產生感應磁場。由于第一層212具有自由地旋轉和切換的磁化方向232，因此磁化方向232將切換成在感應磁場的作用下沿著投影到其軸上的方向。作為圖2中的示例性例證，當電流線410中的電流具有指向外的方向時，磁化方向232指向左，具有與參考磁化方向234負對準的分量，并且將把自由層切換成向左；當電流線410中的電流具有指向內的方向時，磁化方向232指向右，具有與參考磁化方向234正對準的分量，并且將把自由層切換成向右。

圖3示出根據本發(fā)明的各種實施例的用于X-Y軸磁感測的橋電路的兩種不同斬波狀態(tài)的示例性圖。當向電流線410施加電流脈沖時，在第一鐵磁層上生成具有磁化方向232的磁場脈沖。根據所施加的電流脈沖的極性，所生成的磁場將自由層方向232切換成具有與第二鐵磁層的參考磁化方向234正或負對準的分量。

圖3的(A)示出第一鐵磁層212中的大體正對準的磁化方向232并且圖3的(B)示出第一鐵磁層212中的大體負對準的磁化方向232。在一個實施例中，所生成磁化方向232和參考磁化方向234之間的交叉角度在正對準時是45度或者在負對準時是225度。以上的交叉角度是出于清晰和理解的示例性目的描述的。交叉角度可以在正對準時是0和±90之間的任何角度或者在負對準時是180和270之間的任何角度。這里，圖被簡化，因此各感測元件可表示感測元件的陣列。

圖4是根據本發(fā)明的各種實施例的用于Z軸磁感測的橋電路的兩種不同斬波狀態(tài)的示例性圖。對于Z軸磁感測，各TMR元件對至少一個磁導218進行積分。磁導218是在各相應橋腿中的由高磁導率材料制成的高縱橫比的垂直桿，該桿具有終止于磁感測元件的對向邊緣的端部。在一個實施例中，磁導可在第一(自由)鐵磁層212上方和/或下方移位。磁導從在Z方向上取向的施加場采集磁通，并且彎曲場線，以具有靠近磁導端部的水平分量。圖4的(A)示出所生成磁化方向232和參考磁化方向234之間的+90度交叉角度并且圖4的(B)示出-40度交叉角度。

圖5是根據本發(fā)明的各種實施例的示例性控制雙極電流信號600。重置/穩(wěn)定場源500被配置成生成所期望的控制電流(諸如，如圖4中所示的示例性控制雙極電流信號600)并且將其施加到電流線410。雙極電流信號600是包括正部分610(+I_stab)和負部分620(-I_stab)的周期信號。在一個實施例中，雙極電流信號600還包括正重置脈沖611(+I_reset)，正重置脈沖611處于正部分610的開始，用于切換磁化方向。在一個實施例中，雙極電流信號600還包括負重置脈沖621(-I_reset)，負重置脈沖621處于負部分620的開始，用于切換相反方向的磁化方向。

根據輸出速率、功率和噪聲要求，正/負重置脈沖611/621可以是正/負部分的10至1M或更多倍。正/負部分610/620可取任何值，在某些情形下，所述值包括零。在一個實施例中，正部分610等于負部分620。在另一個實施例中，正部分610不同于負部分620。

在一個實施例中，雙極電流信號600與各占電流信號600的每個周期的50％的正部分610和負部分620對稱。在一個實施例中，雙極電流信號600與占電流信號600的每個周期的不同百分比的正部分610和負部分620不對稱。在另一個實施例中，可存在單個I重置脈沖和隨后的一長串的+I重置脈沖，其中，取樣的初始測量與各+I重置脈沖后的各后續(xù)測量相加。對于1/f噪聲最小化，以磁場傳感器100的橋輸出信號260的所期望輸出數據速率的至少兩倍的速率施加雙極電流信號600。圖5中的雙極電流信號600的10毫秒周期是出于示例性目的，并不旨在將本發(fā)明限于所公開的精確形式。為了實現(xiàn)偏移相減和不對稱周期，可實現(xiàn)初始測量階段。

圖6示出根據本發(fā)明的各種實施例的響應于圖4中的所施加雙極電流信號600的示例性橋輸出信號260。橋輸出信號260具有響應于正部分610(+I_stab)和負部分620(-I_stab)的高輸出261和低輸出262。橋輸出信號260不對稱地響應對稱雙極電流信號600。在一個實施例中，高輸出261和低輸出262均為正。在另一個實施例，高輸出261為正并且低輸出262為負。對于這個示例性情況下所施加的場，正輸出261具有比負輸出262高的絕對電壓值。結果，輸出信號260具有整體平均的場依賴值，盡管雙極電流信號600對稱并且具有零平均值。在典型電路實現(xiàn)方式中，兩個值將被取樣和保持并且被加到一起，生成輸出信號。只要雙極電流信號600以磁場傳感器100的橋輸出信號260的所期望輸出數據速率的至少兩倍的速率施加，雙極電流信號600的實現(xiàn)就不干擾磁場傳感器100的正常操作輸出。

圖7示出根據本發(fā)明的各種實施例的延長時間段內的驗證測量結果的圖。該圖包括用于生成正信號序列271(V_pos)的單個信號261的許多樣本，包括用于生成負信號序列272(V_neg)的負信號262的許多樣本，以及總信號(V_tot)。在圖6中，Y軸是與恒定DC電壓相減的偏移，以使所有結果擬合到單個精準圖線上。在各重置脈沖之后的一定延遲后，取正信號271和負信號272的各點，以消除轉變時的鳴響(ringing)。正信號和負信號在低頻下精準地反相。因此，總信號273用彼此抵消的正信號271和負信號272識別顯著減小的1/f噪聲作用。

圖8示出根據本發(fā)明的各種實施例的用于順序重置和控制邏輯的多工H橋電路800。多工H橋電路800形成用于各TMR元件210的電流線410的多個單H橋電路。多工H橋電路800包括用于控制電流線410中的電流流動路徑的多個晶體管810。例如，p1晶體管和n1晶體管可閉合，因此電流線410中的電流可遵循第一重置路徑801，然后p2和n2可閉合，以此類推，以允許其余電流線有類似的順序重置路徑。隨后，在p2和n0的這種情況下，通過控制所期望晶體管組合的斷開/閉合，創(chuàng)建相反方向上的第二重置路徑。在一個實施例中，單獨地(順序地)控制各電流線410的電流路徑。在另一個實施例中，所有電流線410的電流路徑被一齊控制為針對所有電流線的單個聯(lián)合電流路徑。通過正確控制多工H橋電路的邏輯，磁場傳感器將能夠執(zhí)行第一重置脈沖序列之后的第一測量，存儲第一測量值，執(zhí)行第二重置脈沖序列之后的第二測量，存儲第二測量值，對兩個測量值進行求和以生成總輸出。圖8中示出的混合H橋電路可容易地擴大或縮小，以適應各種數量的電流線和晶體管。多工H橋電路800僅僅用于示例性目的。在申請的范圍和等同范圍內，可以進行混合H橋電路的各種修改。

圖9示出根據本發(fā)明的各種實施例的示例性讀取鏈。讀取鏈900包括多個部件，包括磁雙極重置斷續(xù)器(chop)910、磁傳感器920、電斷續(xù)器930、低噪聲放大器(LNA)940、模數(A/D)轉換器950、電解斷續(xù)器(dechop)960、磁解斷續(xù)器970等。電斷續(xù)器930、低噪聲放大器(LNA)940、A/D轉換器950和電解斷續(xù)器960形成讀取鏈的電部分902，讀取鏈還可包括用于軸多工(axes muxing)、下采樣、求平均等的部件。在一個實施例中，磁雙極重置斷續(xù)器910在1～50,000Hz頻率范圍中操作，電解斷續(xù)器960在40kHz頻率下操作，但一般是磁斷續(xù)器頻率的兩倍，并且磁解斷續(xù)器970匹配磁雙極重置斷續(xù)器910的頻率。在另一個實施例中，以上部件還可根據應用，以其他操作頻率或次序工作。斷續(xù)器-解斷續(xù)器對可形成采樣保持電路，該采樣保持電路允許各狀態(tài)下進行信號求和，從而生成如圖7中的傳感器輸出273。

本領域的技術人員將認識到，可在所描述的配置內實現(xiàn)各種實現(xiàn)方式，所有這些實現(xiàn)方式都落入本發(fā)明的范圍內。例如，可調節(jié)各種參數，以最大程度地消除TMR磁場傳感器中的1/f噪聲。這些參數中的一些包括重置脈沖寬度和幅度、雙極電流信號周期、雙極電流信號的占空比(space ratio)等。

以上已經出于清晰和理解的目的描述了本發(fā)明的以上描述。布置在將本發(fā)明限于所公開的精確形式。各種修改形式可以在申請的范圍和等同范圍內。