[发明专利]具有分布的通量引导件的Z轴线磁性传感器

说明书

一种平面外隧道磁阻（TMR）磁场传感器包括限定感测平面的感测元件和配置为将垂直于感测平面的磁场引导到感测平面内的通量引导件。磁场传感器还包括布置在第一平面内的第一线圈、与第一线圈电绝缘并且布置在间隔开的第二平面内的第二线圈以及操作地连接至第一线圈和第二线圈的驱动电路。在第一模式中，驱动电路激励第一和第二线圈以生成相应的第一和第二场，该第一和第二场组合以设置通量引导件的磁化。在第二模式中，驱动电路仅激励第一线圈以生成第一场，从而在不改变通量引导件的磁化的情况下设置感测元件的磁化。

本申请要求2017年12月26日提交的美国临时申请62/610,366的优先权，该申请的公开内容通过引用整体合并在本文中。

技术领域

本公开涉及磁场传感器，并且更具体地涉及一种隧道磁阻（TMR）磁场传感器，该隧道磁阻（TMR）磁场传感器带有Z轴线灵敏度和能够以减少的电需实现求进行重置操作的线圈布置。

技术背景

磁阻（MR）磁场传感器基于各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）或隧道磁阻（TMR）（也称为磁性隧道结MTJ）。在所有这三种情况下，传感器自然都适合于测量平面内磁场。MR传感器通常被组合成具有高灵敏度和三个正交轴的单个装置，以用作诸如智能手机的智能装置中的地磁磁力计。为了精确地确定地球的磁场相对于装置的方向，传感器在手机的所有取向上都必须具有相同的响应。

为了检测平面外或Z轴线场，通量引导件可以被用于将Z轴线场引导到X-Y平面内以通过带有Z感测元件的平面内传感器感测。这些通量引导件具有用于最优Z轴线响应的优选磁化取向。通量引导件能够被置放在Z感测元件的下方、上方或者上方和下方两者。通道引导件能够是沟槽侧壁的镍-铁（NiFe）内衬或其它铁磁内衬，其被溅射沉积、电镀、化学镀或以任何其它合适的方法将通量引导件沉积、构造或者将通量引导件置放成紧靠感测元件。此外，通量引导件能够是置放在传感器结构的表面上或者内部的条或其它几何形状。暴露于非常大的外部场能够重新取向通量引导件磁化并且在通量引导件中引入畴壁，这能够导致降低的信噪比（SNR）和来自传感器的偏移读数的移位。通量引导件的该条件能够通过应用一系列电脉冲经过专门置放的线圈以生成足够大的磁场以将通量引导件的磁化重新取向为已知的先前校准的状态来重置。

典型的通量引导件重置操作要求大的场在传感器桥内穿过全部通量引导件的长度，这继而要求大的电压开销，该大的电压开销导致装置的显著的功率消耗。该特征使得由通量引导件重置操作提供的带有高输出稳定性的高度精确的Z-传感器不适合用于诸如手机或可穿戴装置的应用，其对可供传感器使用的电压和功率有显著的约束。在典型情况下，通量引导件重置操作需要20 V以产生持续若干微秒的500 mA的脉冲。该电压和功率要求超过了典型的智能装置的性能。在2017年3月7日授予Everspin技术股份有限公司的美国专利号9,588,211中描述了典型的通量引导件重置操作的一个示例，该专利的内容通过引用合并在本文中。

需要显著减少通量引导件重置操作的功率要求，使得此类操作对于在智能手机和智能装置市场中使用变得可行。

发明内容

一种磁场传感器在一个实施例中包括：感测元件，其布置在传感器的衬底上并且限定感测平面；通量引导件，其布置在衬底上并且配置成将垂直于感测平面的磁场引导到感测平面内；第一线圈，其大致布置在第一平面内；第二线圈，其大致布置在与第一平面间隔开的第二平面内，第二线圈与第一线圈电绝缘；以及驱动电路，其操作地连接至第一线圈和第二线圈中的每一个，驱动电路配置为：在第一重置模式中，激励第一线圈和第二线圈两者以分别生成围绕第一线圈的第一场和围绕第二线圈的第二场，第一场和第二场组合以设置通量引导件的预定磁化方向，以及，在第二重置模式中，仅激励第一线圈以生成第一场，从而在不改变通量引导件的预定磁化方向的情况下设置感测元件的预定磁化方向。