本公開涉及一種用于測量外部磁場的自參考（self-referenced）mram單元和包括該自參考mram單元的磁場傳感器。本公開還涉及一種用于對磁場傳感器進(jìn)行編程的方法。

背景技術(shù)：

自參考mram單元可以被用在磁性傳感器或羅盤中以感測磁場。mram單元包括磁性隧道結(jié)，其包括具有固定參考磁化的參考層，具有自由感測磁化的感測層和在該感測層和參考層之間的隧道勢壘層。參考磁化和感測磁化可以被定向成平行于參考層和感測層的平面。感測層的定向中的改變典型地被用來測量外部磁場。傳感器設(shè)備可以由以電路配置布置的多個(gè)自參考mram單元形成，并且被有利地用于放大與外部磁場有關(guān)的測得的響應(yīng)。例如，為了該目的，已經(jīng)提出了以惠斯通電橋配置布置的多個(gè)自參考mram單元。

圖1示出常規(guī)惠斯通電橋，其包括兩個(gè)串聯(lián)連接的電阻r1、r2，它們與另外兩個(gè)串聯(lián)連接的電阻r3、r4并聯(lián)。在圖1的電路中，每個(gè)電阻可以對應(yīng)于一個(gè)自參考mram單元。

當(dāng)外部磁場定向成垂直于參考磁化方向時(shí)，以及當(dāng)感測磁化以相對于參考磁化方向約45°定向時(shí)，可以獲得對于這樣的惠斯通電橋的在有外部磁場的情況下的測得電壓vout的線性變化。在感測操作期間，通過施加由在場線中傳遞的場電流感應(yīng)的磁場來實(shí)現(xiàn)以相對于參考磁化方向約45°對感測磁化定向。因?yàn)樵谡麄€(gè)感測操作期間必須傳遞場電流，所以操作這樣的已知傳感器設(shè)備暗示歸因于電遷移現(xiàn)象的導(dǎo)致降低的壽命的靜態(tài)功率消耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開涉及一種自參考mram單元，其包括：具有固定參考磁化方向的參考層，具有可在外部磁場中自由定向的感測磁化的感測層，以及包括在參考層和感測層之間的隧道勢壘；該mram單元還包括：具有偏置磁化的偏置層和偏置反鐵磁性層，當(dāng)mram單元處于等于或低于偏置閾值溫度的溫度時(shí)該偏置反鐵磁性層將偏置磁化釘扣（pin）在偏置方向上；偏置磁化被布置用于感應(yīng)偏置場，其被適配用于使感測磁化在與偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁場的情況下當(dāng)這樣的外部磁場在基本上垂直于參考磁化的方向的方向上定向時(shí)，經(jīng)過偏置的感測磁化的方向線性地變化。

本公開還涉及一種磁場傳感器，其包括：串聯(lián)電氣連接多個(gè)mram單元的電流線；該電流線被布置用于傳遞加熱電流，該加熱電流被適配用于將mram單元加熱到高于偏置閾值溫度；以及用于傳遞感應(yīng)磁場的編程場電流的場線，該磁場被適配用于當(dāng)加熱mram單元時(shí)到高于偏置閾值溫度的溫度時(shí)使mram單元的偏置磁化在偏置方向上對齊。

本公開還與一種用于對磁場傳感器進(jìn)行編程的方法有關(guān)，該方法包括：將多個(gè)mram單元中的任一個(gè)加熱到高于偏置閾值溫度的溫度，以便釋放多個(gè)mram單元中的所述任一個(gè)中的偏置磁化；使經(jīng)過加熱的mram單元的偏置磁化在偏置方向上對齊；以及將所述經(jīng)過加熱的mram單元冷卻到低于偏置閾值溫度的溫度以便將偏置磁化釘扣在偏置方向上。

因?yàn)樾枰獌H在比感測操作短得多的編程操作期間傳遞加熱電流（或加熱電壓脈沖）和編程場電流，所以本文中公開的磁場傳感器要求少得多的靜態(tài)功率消耗并且可以具有顯著延長的壽命。

附圖說明

在作為示例給出的以及通過圖圖示的實(shí)施例的描述的幫助下，將更好理解本發(fā)明，在圖中：

圖1圖示常規(guī)惠斯通電橋結(jié)構(gòu)；

圖2根據(jù)實(shí)施例的磁場傳感器；

圖3示出利用圖2的磁場傳感器測得的電壓響應(yīng)的曲線圖；以及

圖4表示根據(jù)實(shí)施例的mram單元的橫截面視圖。

具體實(shí)施方式

圖2示出根據(jù)實(shí)施例的磁場傳感器100。該磁場傳感器100包括以惠斯通電橋電路配置連接的四個(gè)電流分支（3a、3a'、3b、3b'）。特別地，第一分支3a和第二分支3a'分別串聯(lián)電氣連接第一mram單元1a和第二mram單元1a'。第三分支3b和第四分支3b'分別串聯(lián)電氣連接第三mram單元1b和第四mram單元1b'。第一和第二分支3a、3a'與第三和第四分支3b、3b'并聯(lián)電氣連接，從而形成惠斯通電橋電路。

圖4表示根據(jù)實(shí)施例的與mram單元1a、1a'、1b、1b'中的任一個(gè)相對應(yīng)的mram單元1的橫截面視圖。mram單元1包括具有固定參考磁化230的參考層23，具有可在外部磁場60下自由定向的感測磁化210的感測層21，和包括在參考和感測層23、21之間的隧道勢壘22。

感測層21和參考層23中的每一個(gè)都包括磁性材料（并且特別地，鐵磁性類型的磁性材料），或者由其形成。鐵磁性材料可以由特定矯頑力表征，該特定矯頑力指示在磁場被驅(qū)動(dòng)到在一個(gè)方向上飽和之后用來使磁化反向的磁場的量值。一般來說，感測層21和參考層23可以包括相同的鐵磁性材料或不同的鐵磁性材料。感測層21可以包括軟鐵磁性材料（也就是具有相對低的矯頑力的鐵磁性材料），而參考層23可以包括硬鐵磁性材料（也就是具有相對高的矯頑力的鐵磁性材料）。以這樣的方式，感測層21的磁化可以在低強(qiáng)度磁場下容易地變化。適當(dāng)?shù)蔫F磁性材料包括過渡金屬、稀土元素以及它們的合金（具有或不具有主族元素）。例如，適當(dāng)?shù)蔫F磁性材料包括：鐵（“fe”）、鈷（“co”）、鎳（“ni”）以及它們的合金，諸如坡莫合金（或ni80fe20）；基于ni、fe和硼（“b”）的合金；co90fe10；以及基于co、fe和b的合金。在一些實(shí)例中，基于ni和fe（以及可選地，b）的合金可以具有比基于co和fe（以及可選地，b）的合金更小的矯頑力。感測層21和參考層23中的每一個(gè)的厚度可以處于nm范圍，諸如從約1nm到約20nm或者從約1nm到約10nm。感測層21和參考層23的其他實(shí)施方式被預(yù)期。例如，感測層21和參考層23中的任一個(gè)或二者可以包括多個(gè)子層，其形式類似于所謂的合成（synthetic）反鐵磁性層的形式。

隧道勢壘層22可以包括絕緣材料或者由其形成。適當(dāng)?shù)慕^緣材料包括氧化物，諸如氧化鋁（例如，al2o3）和氧化鎂（例如，mgo）。隧道勢壘層22的厚度可以處于nm范圍，諸如從約1nm到約10nm。

參考圖4，mram單元1還可以包括參考反鐵磁性層24，其被設(shè)置成鄰近于參考層23，并且當(dāng)參考反鐵磁性層24內(nèi)或其附近的溫度在參考反鐵磁性層24的低閾值溫度tl處（即低于阻擋溫度，諸如奈耳溫度）或者另一閾值溫度處時(shí)，通過交換偏置沿著特定方向釘扣參考磁化230。當(dāng)溫度在高閾值溫度th處（即高于阻擋溫度）時(shí)參考反鐵磁性層24不釘扣或釋放參考磁化230，從而允許參考磁化230被切換到另一方向。在圖4的特定示例中，參考層23被表示為合成反鐵磁體（saf）結(jié)構(gòu)，其包括：具有第一參考磁化230的第一參考子層231，和具有第二參考磁化230'的第二參考子層232，和將第一和第二參考反鐵磁性層231、232分離的非磁性耦合層233。

參考反鐵磁性層24包括反鐵磁性類型的磁性材料或者由其形成。適當(dāng)?shù)姆磋F磁性材料包括過渡金屬以及它們的合金。例如，適當(dāng)?shù)姆磋F磁性材料包括基于錳（“mn”）的合金，諸如基于銥（“ir”）和mn的合金（例如，irmn）；基于fe和mn的合金（例如，femn）；基于鉑（“pt”）和mn的合金（例如，ptmn）；以及基于ni和mn的合金（例如，nimn）。例如，參考反鐵磁性層24可以包括基于ir和mn（或者基于fe和mn）的合金或者由該合金形成，其具有在約120℃到約220℃的范圍內(nèi)的高閾值溫度th。因?yàn)楦袦y磁化210未被釘扣，所以在沒有將另外設(shè)置操作溫度窗的上限的閾值溫度的情況下或者在與其無關(guān)的情況下，高閾值溫度th可以被選擇以適應(yīng)期望的應(yīng)用，諸如高溫度應(yīng)用。感測磁化210可在低和高閾值溫度tl、th處自由調(diào)整。包括具有可自由調(diào)整感測磁化210的感測層21的這種類型的mram單元1被稱為自參考mram單元。

mram單元1還包括具有偏置磁化250的偏置層25，和當(dāng)mram單元處于等于或低于偏置閾值溫度tb的溫度時(shí)釘扣偏置磁化250在偏置方向上的偏置反鐵磁性層27。去耦合層26可以被設(shè)置在感測層21和偏置層25之間，使得不發(fā)生偏置層25和感測層21之間的直接rkky耦合。

偏置磁化250被配置用于感應(yīng)偏置場251，其被適配用于由于偏置層25和感測層21之間的磁性耦合而使感測磁化210偏置在與偏置方向相反的方向上。偏置方向可以被定向成以便形成在平行于參考磁化230的方向的方向與正交于參考磁化230的方向的方向之間的角度。然后，在有以基本上垂直于參考磁化230的方向的方向定向的外部磁場60的情況下，被由偏置磁化250在這樣的偏置方向上感應(yīng)的偏置場251偏置的感測磁化210可以線性地變化。

可以在外部磁場下通過使用退火步驟來設(shè)置參考磁化230的方向。

在實(shí)施例中，偏置閾值溫度tb低于參考閾值溫度tr。

返回到圖2，一種根據(jù)實(shí)施例的用于對磁場傳感器100進(jìn)行編程的方法包括：

將mram單元1a、1a'、1b、1b'中的任一個(gè)加熱到高于偏置閾值溫度tb的溫度以便釋放偏置磁化250；

使經(jīng)過加熱的mram單元（1）的偏置磁化250在偏置方向上對齊；以及

將經(jīng)過加熱的mram單元1a、1a'、1b、1b'冷卻到低于偏置閾值溫度tb的溫度以便釘扣偏置磁化250在偏置方向上。

特別地，可以按順序?qū)Φ谝缓偷诙ram單元1a、1a'并且對第三和第四mram單元1b、1b'執(zhí)行加熱、使偏置磁化250對齊以及冷卻的步驟。

在實(shí)施例中，加熱mram單元1a、1a'、1b、1b'包括按順序橫跨第一、第二、第三和第四電流分支3a、3a'、3b、3b'施加加熱電壓脈沖32（見圖2），以用于將第一、第二、第三和第四mram單元1a、1a'、1b、1b'加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb。

可替代地，加熱mram單元1a、1a'、1b、1b'包括按順序在第一、第二、第三和第四電流分支3a、3a'、3b、3b'中傳遞加熱電流脈沖31，以用于將第一、第二、第三和第四mram單元1a、1a'、1b、1b'加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb。

在圖2中示出的實(shí)施例中，編程場線4包括第一編程場線部分4a，其被配置用于傳遞感應(yīng)第一編程磁場42'的第一編程場電流41'。該編程場線4還包括第二場線部分4b，其被布置成基本上與第一編程場線部分4a正交并且被配置用于傳遞感應(yīng)第二編程磁場42''的第二編程場電流41''。

因此使偏置磁化250對齊的步驟包括在第一編程場線4a中傳遞第一編程場電流41'以及在第二編程場線4b中傳遞第二編程場電流41''。結(jié)果的編程磁場42被適配用于使被加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb的第一、第二、第三或第四mram單元1的偏置磁化250對齊。結(jié)果的編程磁場42的定向取決于第一和第二編程場電流41'、41''的相對量值和極性。因此，可以通過調(diào)整第一和第二編程場電流41'、41''的量值和極性來將偏置磁化250的偏置方向調(diào)整到任何適當(dāng)?shù)亩ㄏ颉?/p>

因此使偏置磁化250對齊的步驟可以被執(zhí)行，使得偏置方向形成在平行于參考磁化230的方向的方向與正交于參考磁化230的方向的方向之間的角度。

使偏置磁化250對齊的步驟可以進(jìn)一步被執(zhí)行，使得第一和第二子集1a、1a'中的mram單元1的偏置方向相對于參考磁化230的方向分別呈約-45°和45°，并且第三和第四子集1b、1b'中的mram單元1的偏置方向相對于參考磁化230的方向分別呈約135°和-135°。

磁場傳感器100不限于圖2中示出的配置。例如，磁場傳感器100可以包括多個(gè)mram單元1。特別地，第一分支3a可以串聯(lián)電氣連接多個(gè)mram單元1的第一子集1a，第二分支3a'可以串聯(lián)電氣連接多個(gè)mram單元1的第二子集1a'，第三分支3b可以串聯(lián)電氣連接多個(gè)mram單元1的第三子集1b，并且第四分支3b'可以串聯(lián)電氣連接多個(gè)mram單元1的第四子集1b'。

在磁場傳感器100的編程操作期間，按順序?qū)Πㄔ诘谝?、第二、第三和第四子?a、1a'、1b、1b'中的mram單元1執(zhí)行加熱、使偏置磁化250對齊以及冷卻的步驟。

特別地，加熱mram單元1包括按順序橫跨第一、第二、第三和第四電流分支3a、3a'、3b、3b'施加加熱電壓脈沖32或者按順序在第一、第二、第三和第四電流分支3a、3a'、3b、3b'中傳遞加熱電流脈沖31，以用于按順序?qū)ram單元1的第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb。第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'中的每一個(gè)可以被獨(dú)立地加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb。參考圖2，這可以通過獨(dú)立地在第一電流分支3a中傳遞第一加熱電流脈沖31a，在第二電流分支3a'中傳遞第二加熱電流脈沖31a'，在第三電流分支3b中傳遞第三加熱電流脈沖31b和在第四電流分支3b'中傳遞第四加熱電流脈沖31b'來執(zhí)行。

一旦子集1a、1a'、1b、1b'之一中的mram單元1已經(jīng)被加熱到處于或高于偏置閾值溫度tb，則第一和第二編程場電流41'、41''可以分別在第一和第二編程場線4a、4b中傳遞，以便分別感應(yīng)第一和第二編程磁場42'和42''。根據(jù)由分別由第一和第二編程場電流41'和41''感應(yīng)的第一和第二編程磁場42'和42''的組合產(chǎn)生的編程磁場42，使子集1a、1a'、1b、1b'之一中的經(jīng)過加熱的mram單元（1）的偏置磁化250對齊。

取決于結(jié)果的編程磁場42的定向，可以使偏置磁化250在任何適當(dāng)?shù)钠梅较蛏蠈R。例如，在第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'中的mram單元1的偏置磁化250可以具有相對于參考磁化230分別呈約-45°、45°、135°和-135°定向的偏置方向或任何其他適當(dāng)?shù)亩ㄏ颉?/p>

在執(zhí)行編程操作之后，經(jīng)過編程的磁場傳感器100可以被用于感測外部磁場60。

返回到圖2，惠斯通電橋磁場傳感器100可以被用于感測外部磁場60的基本上在mram單元層21、23的平面中并且垂直于參考磁化230的方向定向的分量方向（在退火步驟期間確定）。

在偏置磁化250的偏置方向被定向成以便形成在平行于參考磁化230的方向的方向與正交于參考磁化230的方向的方向之間的角度的情況下，通過由偏置磁化250感應(yīng)的偏置場251偏置的感測磁化210將隨著外部磁場60的基本上垂直于參考磁化230的方向定向的分量基本上線性地變化。

圖3示出在有外部磁場60的情況下（基本上垂直于參考磁化230的方向定向的分量），圖2中示出的磁場傳感器100的第一和第二分支3a、3a'與第三和第四分支3b、3b'之間測得的電壓響應(yīng)vout的曲線圖。

參考數(shù)字和符號