[发明专利]磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及磁场传感器。具体的，本发明涉及用于磁场零相交检测的AMR(各向异性磁电阻)传感器应用，以及要求最佳线性的其他磁场传感器应用。

背景技术

磁传感器在各个产业中变得日益重要。尤其是在汽车产业传感器中，为了提供舒适性和安全性，在现代汽车中可以发现各种传感器，例如停车传感器、角度传感器、ABS(自动制动系统)传感器以及胎压传感器。磁传感器在汽车应用中尤其重要，因为磁场更容易穿透大多数材料。与例如光学传感器不同，磁传感器也对灰尘极其不敏感。

目前有几种不同的磁传感器技术可用，例如基于霍尔效应或磁电阻效应的传感器。各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)传感器是基于磁电阻效应的传感器类型的具体实例。霍尔效应传感器可以被单片集成到集成电路中，这使得集成电路更廉价，但是这种传感器的低灵敏度和由此产生的不准确性也是众所周知的。尽管AMR传感器具有比霍尔效应传感器高得多的灵敏度，AMR传感器需要更多的制作步骤，因为它们不能被单片集成，使得整个传感器系统更加昂贵。通常在单独的管芯上或单片结构的顶部上溅射Ni₈₀Fe₂₀来沉积AMR传感器。经常采用退火工艺(有时在磁场中)提高在磁电阻材料的磁状态的稳定性。

GMR传感器典型地具有比AMR传感器更高的灵敏度。然而，GMR传感器包括各种薄层和重要的界面。制作这种传感器所需的技术是相当复杂并且昂贵的。此外，由于构成GMR传感器的多个薄层，工作温度范围也受限制。因此，在磁传感器应用中，作为折中，通常选择AMR传感器。

在图1左边中描述出AMR传感器(101)。向AMR传感器供给感测电流I_sense，该感测电流I_sense可以从例如与电阻R串联的参考电压V_ref提取。在图1右边(102)中示出了典型的AMR传递函数，定义为随所施加(或外部)磁场H_ext而变化的AMR传感器电阻R_AMR。传递函数关于y轴对称，因此在H_ext的零相交附近具有消失的灵敏度。这严重地妨碍了零场相交(zero-field crossings)的精确检测：对于这种对称传递曲线，电子噪声和其他的干扰电子信号在H_ext＝0处或周围时具有很大影响。

解决这个问题的一种已知方法是在AMR传感器的顶部增加一个线圈，见图2左边(201)。当通过线圈驱动DC电流(I_bias)时，在AMR传感器中产生一个附加磁场H_bias。现在，AMR传感器的偏置点在AMR传递函数上已经从0(202)移至H_bias(203)，见图2右边。现在，AMR在零H_ext处是灵敏的，并且AMR传感器对正弦H_ext的响应可能看起来如图2右边所描述的那样。

不幸的是，由于一般由DC偏置获得的不是完全的反对称传递曲线，所以在正和负的半周期中的差异是很明显的。因此，外部场的零相交与传感器的电阻的平均值不一致。所以，这个平均值不能用于检测零磁场相交。而且，从与这个平均AMR电阻水平获得实际零磁场相交的偏差取决于外部场的幅度(并且也取决于偏置场的大小、传递曲线的形状等)。这妨碍了从单个AC AMR输出信号检测零磁场相交的稳健而可靠。

因为传递曲线不是完全反对称的(大约在点203)，所以产生偶数阶失真分量。也就是说，如果向传感器施加正弦场H_ext，在AMR传感器输出电阻上的频谱分析(FFT)不仅会显示来自完全反对称传递曲线的奇次谐波，也会显示由传递曲线的(偏移的)对称特性产生的一些偶次谐波。

解决这些问题的一种已知方法是利用AMR传感器中的barber电极(barber poles)。这些电极强制电流按照一定方向在传感器中流动。barber电极型传感器元件的缺点是：在元件中的各处磁化翻转时输出曲线改变其符号，例如由于大磁场尖峰信号(field spike)。这将会导致对施加的磁场的符号的错误理解。如果元件小部分翻转，则导致降低的灵敏度。当这个效果在两个元件中不相等时(最有可能)，为导致非完全反对称输出(NOT purely anti-symmetric output)，以及这导致零相交的“失真”。上述的错误状态可能是永久的，直到发生下一个大磁场脉冲。

因此，需要其中可以更容易地以及更可靠地检测零点相交的AMR传感器配置。

发明内容

根据本发明，提供一种AMR传感器，包括：