[发明专利]用于磁场传感器的读取电路以及相关读取方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于磁场传感器的读取电路，并且涉及相关读取方法，该磁场传感器具体而言是各项异性磁阻(AMR)磁传感器。

背景技术

由于磁场传感器能够检测天然磁场(例如，地球磁场)和由电气部件(诸如由电流所穿过的电气或电子器件和线路)生成的磁场，所以在多种应用和系统中使用磁场传感器(具体而言是AMR磁传感器)，磁场传感器例如用于罗盘、用于检测含铁材料的系统、用于检测电流以及用于许多其他应用。

已知各向异性磁阻的现象出现于特定含铁材料中，当该含铁材料受外部磁场影响时，其经历根据同一外部磁场的特性的电阻率变化。通常将这些材料应用为薄条(strip)以便形成电阻元件，并且电连接这样形成的电阻元件以限定桥式结构(通常为惠斯顿电桥)。

此外如例如在US4,847,584中所描述的，还已知使用标准的半导体微机械加工技术来制造AMR磁传感器。

具体而言，可以通过沉积磁阻材料的膜以在例如硅之类的半导体材料的衬底上形成薄条来形成各个磁阻元件，该磁阻材料例如坡莫合金(含铁和镍的铁磁合金)。

当使电流流过磁阻元件时，磁阻元件的磁化方向与电流的流动方向之间的角度θ影响磁阻元件的电阻率的有效值，从而使得当角度θ的值变化时，电阻值也变化(具体地，这种变化遵循cos²θ类型的定律)。例如，平行于电流的流动方向的磁化方向导致对通过磁阻元件的电流的通路的最大电阻值，而与电流的流动方向正交的磁化方向导致对通过磁阻元件的电流的通路的最小电阻值。

具体而言，如图1中示意性地示出(其中，H指示外部磁场，I是在磁阻元件中流动的电流，而R是电阻的公值)的，在惠斯顿电桥中设置理想地具有相同电阻值的磁阻元件，以便形成等同元件的对角线配对，这些等同元件以彼此相反的方式对外部磁场作出反应。

通过在输入处将电源电压V_S施加给桥式检测结构(具体而言，施加到该电桥的、作为输入端子而操作的两个第一端子)，在存在外部磁场H的情形下，发生磁阻元件的电阻变化ΔR，而在磁阻元件上存在电压降的值的对应变化；实际上，外部磁场H决定了磁阻元件的磁化方向的变化。继而在输出处(具体而言，在电桥的作为输出端子而操作的两个剩余端子之间)由于电压变化ΔV而出现桥式结构的失衡。由于之前已知磁阻元件的初始磁化方向，因而可以根据电压变化ΔV来确定作用于AMR磁场传感器的外部磁场H的方向和强度。

通常，使用耦合到AMR磁传感器的输出的读取级(或前端)，并且该读取级例如包括用于检测惠斯顿电桥的失衡并且生成指示待测量的外部磁场特性的输出信号的测量放大器。

考虑到存在各种磁阻元件的静态(即不存在外部激励)电阻值之间的失配(例如，由制造工艺或部件的非均匀老化所导致)，所以在AMR磁传感器的输出信号上存在偏移信号(即，相对于有用信号值的偏离)；该偏移因而是传感器所固有的，并且该偏移值独立于外部磁场的特性。

一般而言，电桥输出处的电压变化ΔV因而可以被认为是指示外部磁场的有用信号V_sig和偏移V_off之和：

ΔV＝V_sig+V_off

具体而言，即使不存在外部磁场，AMR磁传感器也具有非零输出信号，确切来说该非零输出信号是由偏移V_off所导致的。考虑到偏移值即便不高于由外部磁场所导致的输出信号，但其也经常与外部磁场所导致的输出信号相当(具体地，当传感器需要测量具有较低值的外部磁场值时，例如在罗盘应用中测量地球磁场)，所以偏移的存在导致了测量中的误差和失真以及导致可以使用的测量尺度的减小(一旦固定了尺度端点)。此外，为了减小偏移的影响，可以增加传感器的尺度端点，但这需要不利地引起测量敏感度和分别率的对应减小。

因此，现今已提出了许多用于对磁传感器的偏移进行补偿的技术，这些技术被设计用于减少或至少限制偏移在传感器输出上的影响。

例如，第一补偿技术设想了使用与惠斯顿电桥的一个或多个支路并联连接(并且因而与对应磁阻元件中的一个或多个并联连接)的电阻器(所谓的“分流电阻器”)，该电阻器的值使得惠斯顿电桥平衡并且因而消除在传感器输出处的偏移。这种补偿技术的不利之处由如下事实所导致，即为了确定分流电阻器的值，需要移除任何的外部磁场(包括由地球磁场所导致的贡献)，并且因而需要提供完全屏蔽的环境，或备选地，需要提供一组亥姆霍兹线圈。这导致制造成本的增加，并且难以在大规模生产水平中实现。