用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统和方法
阅读：767发布：2020-05-08
专利汇可以提供用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于抑制来自磁阻 传感器 的低频噪声的系统(S)，所述抑制系统(S)包括：用于测量 磁场 的设备(D)，所述设备(D)包括至少一个 磁阻传感器 (C)，所述磁阻传感器(C)在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，第二工作点的灵敏度低或为零；调制装置(M)，用于将至少一个磁阻传感器(C)从第一工作点切换到第二工作点；以及处理装置(T)，用于处理来自用于测量磁场的设备(D)的 信号 。，下面是用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统和方法专利的具体信息内容。
1.用于抑制具有隧道磁阻(C)的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，所述抑制系统(S)包括：
-用于测量磁场(B)的设备(D)，所述设备(D)包括至少一个隧道磁阻传感器(C)，所述隧道磁阻传感器(C)在第一工作点(801)具有第一灵敏度(S1)，在第二工作点(802)具有第二灵敏度(S2)，第二工作点(802)的第二灵敏度(S2)与第一工作点(801)的第一灵敏度(S1)不同；
-调制装置(M)，适于将隧道磁阻传感器(C)从第一工作点(801)切换到第二工作点(802)和从第二工作点(802)切换到第一工作点(801)，所述装置(M)具有对应于第一工作点(801)的第一配置和对应于第二工作点(802)的第二配置；
-处理装置(T)，用于处理来自用于测量磁场(B)的设备(D)的信号，所述处理装置(T)适合于线性组合在第一工作点(801)处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第一响应(M1)和在第二工作点(802)处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第二响应(M2)，第一工作点(801)对应于调制装置(M)的第一配置，第二工作点(802)对应于调制装置(M)的第二配置。
2.根据前一权利要求所述的用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，用于测量磁场(B)的设备(D)包括根据半电桥布置设置的两个隧道磁阻传感器(301、302)和低噪声前置放大器(PA)，两个隧道磁阻传感器(C)对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂(B1)和第二臂(B2)，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器(R)和其中一个隧道磁阻传感器(301、302)，半电桥布置还包括第一输出(V+)和第二输出(V-)，两个输出被连接到低噪声前置放大器(PA)，每个输出(V+，V-)是其中一个电阻(R)和其中一个隧道磁阻传感器(301、302)之间的接合点。
3.根据权利要求1所述的用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量设备(D)包括第一对隧道磁阻传感器(401、401a)和第二对隧道磁阻传感器(402、402a)以及低噪声前置放大器(PA)，与第二对传感器(402、402a)相比，第一对传感器(401、401a)具有相反的响应，隧道磁阻传感器(401、401a，402、402a)根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂(B1)和第二臂(B2)，两个臂并联连接，每个臂包括第一对隧道磁阻传感器(401、401a)和第二对隧道磁阻传感器(402、402a)，电桥布置还包括第一输出(V+)和第二输出(V-)，两个输出被连接到低噪声前置放大器(PA)，每个输出(V+，V-)是第一对隧道磁阻传感器(401、401a)和第二对隧道磁阻传感器(402、402a)之间的接合点。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，半电桥或电桥布置被连接到电压Vb，电压Vb通过调制装置M来管理。
5.根据权利要求2或权利要求3所述的用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，半电桥或电桥布置被连接到第一电压Vb/2和连接到第二电压-Vb/2，电压Vb/2和-Vb/2通过调制装置M来管理。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于抑制隧道磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，每个隧道磁阻传感器(C)由一组串联的隧道磁阻结构成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，测量装置(D)包括局部加热装置，以便翻转至少一个隧道磁阻传感器的参考层(703、704)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于抑制隧道磁阻传感器的低频噪声的系统(S)，其特征在于，调制装置(M)包括高频主时钟，高频主时钟用于产生信号(1601)，信号(1601)用于在第一工作点(801)和第二工作点(802)之间切换。
9.根据前一权利要求和权利要求3或权利要求4所述的用于抑制低频噪声的系统(S)，其特征在于，切换信号(1601)包括时变电压Vb，所述信号被连接到半电桥布置或电桥布置，电压Vb用于在第一工作点(801)和第二工作点(802)之间切换隧道磁阻传感器。
10.一种用于抑制低频噪声的方法(1)，低频噪声与由测量设备(D)测量的磁场(B)相关，所述测量设备(D)包括至少一个隧道磁阻传感器(C)，所述方法包括以下步骤：
-识别(ID)隧道磁阻传感器(C)的第一(801)和第二(802)工作点，隧道磁阻传感器在第一工作点(801)具有第一灵敏度(S1)，在第二工作点(802)具有第二灵敏度(S2)，第二工作点(802)的灵敏度(S2)与第一灵敏度(S1)不同；
-通过将隧道磁阻传感器(C)从具有第一灵敏度(S1)的第一工作点(801)切换到具有第二灵敏度(S2)的第二工作点(802)，以及从第二工作点(802)切换到第一工作点(801)，调制(MOD)隧道磁阻传感器(C)的灵敏度；
-在调制(MOD)期间，测量(MES)在第一工作点(801)处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第一响应(M1)和在第二工作点(802)处存在磁场(B)的情况下，测量设备(D)的第二响应(M2)；
-计算测量设备(D)的第一响应(M1)和第二响应(M2)的线性组合(LIN)。
用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统和
方法
技术领域
背景技术
[0002] 如今，诸如TMR的磁阻传感器的低频噪声被认为是在某些需要在低频中具有很高检测率的应用中使用它们的主要障碍。这些应用的示例是生物介质中磁场的测量，例如与生理信号，特别是神经信号相关的磁场的测量。这些信号变化缓慢，频率低于1KHz，并且它们的检测受到测量期间使用的传感器的低频噪声的影响。
[0003] 对于各向异性磁阻(AMR)型传感器，改变电流方向的方法可以抑制它们的部分1/f噪声(参见例如I.Mateos等人，“使用各向异性磁阻的磁场监测系统的低频噪声特性(Low-frequency noise characterization of a magnetic field monitoring system using an anisotropic magnetoresistance)”，发表于2015年《传感器和执行器A(Sensors and Actuators A)》第235卷)。该技术不能应用于GMR和TMR，因为它们的电阻及其电阻变化不取决于电流方向。
[0004] 可以应用用于调制由传感器所检测到的场的技术。这些技术将传感器的工作点移至其低频噪声之外。A.Guedes等人的文章“使用GMR-MEMS混合设备对微特斯拉磁场进行检测(Towards picoTesla Magnetic Field Detection Using a GMR-MEMS Hybrid Device)”中描述了这种技术的例子，该文章发表于2012年《IEEE磁学汇刊(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS)》第48卷第11期第4115-4118页，以及A.S.Edelstein等人发表在2002年《应用物理学(Applied Physics)》期刊第91卷第7795页的“使用微机电系统通量集中器使磁传感器中的1/f噪声最小化(Minimizing 1/f noise in magnetic sensor using a microelectromechanical system flux concentrator)”的文章中描述了这种技术的例子。
[0005] 这些出版物提出使用调频通量集中器，但是该技术给出了价值不高的结果，并且需要使用微机电系统MEMS来进行机械调制。
[0006] 在传感器耦合到超导电流回路的特定情况下，通过将传感器的工作点也移至更高的频率，超电流的调制可以相对有效地抑制低频噪声。在专利文件EP2165206和EP2165210中描述了这样的解决方案。
[0007] 但是，这些技术具有一些缺点，例如实施困难，低效率或替代地使用超导材料，使用超导材料需要特定的使用条件并且可能是昂贵的。
发明内容
[0008] 本发明旨在通过提出一种用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统来解决上述问题，即传感器包括至少一个隧道磁TMR结，该系统可靠、体积小并且可以工业化制造。
[0009] 为此，本发明的第一主题是一种用于抑制具有隧道磁阻的磁阻传感器的低频噪声的系统，所述抑制系统包括：
[0010] -用于测量磁场的设备，所述设备包括至少一个隧道磁阻传感器，所述隧道磁阻传感器在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，第二工作点的第二灵敏度与第一工作点的第一灵敏度不同；
[0011] -调制装置，适于将至少一个隧道磁阻传感器从第一工作点切换到第二工作点和从第二工作点切换到第一工作点，所述装置具有对应于第一工作点的第一配置和对应于第二工作点的第二配置；
[0012] -处理装置，用于处理来自用于测量磁场的设备的信号，所述处理装置适合于线性组合在第一工作点处存在磁场的情况下，测量设备的第一响应和在第二工作点处存在磁场的情况下，测量设备的第二响应，第一工作点对应于调制装置的第一配置，第二工作点对应于调制装置的第二配置。
[0013] 隧道磁阻传感器C用来表示具有取决于外部磁场的电阻的元件并包括至少一个TMR或CMR隧道磁结。在TMR结中，由隧道效应引起的电流通过位于两个铁磁电极之间的薄绝缘体薄膜。两个电极中一个电极的磁化方向取决于外部磁场。通过测量元件C终端的电阻变化，可以测量外部磁场。外部磁场或磁场用来表示希望测量的磁场。
[0014] 本发明范围内使用的各隧道磁阻传感器C具有不同的工作点，不同的工作点具有不同的灵敏度。
[0015] 为实施本发明而保留的两个工作点之间的灵敏度差异越大，对低频噪声的抑制就越具有可重复性和可靠性。
[0017] 实际上，本发明的原理是基于隧道磁阻传感器的特性，该特性由隧道势垒的有限能量高度给出。因此，通过增加TMR终端的电压，对外部磁场的灵敏度降低，如图3b所示。
[0018] 由装置M执行的调制，例如是磁阻传感器C的灵敏度的周期性变化。该调制的频率大于希望消除的低频噪声的频率。
[0019] 处理信号的装置T被用来表示用于在隧道磁阻传感器处于第一工作点时选择设备D的响应M1以及在传感器处于第二工作点时选择设备D的响应M2的装置。处理信号的装置T也适合于使响应M1和M2线性组合。处理装置T可以包括模拟电路、数字电路或模拟和数字混合的电路。
[0020] 与在所有导体中一样，与磁阻传感器C相关的低频噪声是电阻噪声的波动。此外，外部场本身也引起电阻的变化。在使用磁阻传感器测量缓慢变化的磁场的情况下，电阻的两个变化因此不能通过单次测量来分开。
[0021] 提出的发明基于与迄今为止提出的原理不同的原理。它包括使具有隧道磁阻的磁阻传感器C在两个不同的工作点之间振荡。选择两点的方式应使对外部磁场的响应不同。传感器对外部磁场的响应也称为传感器的灵敏度。传感器在两个不同工作点之间的振荡也称为传感器灵敏度的调制。
[0022] 换句话说，本发明在于使传感器以比图2所示的1/f噪声域更快的频率在这两个测量点之间振荡，并因此以高频测量传感器在每种状态下的响应。由此获得两条独立的曲线M1和M2，这两条曲线是时间相关的。这两条曲线的线性组合使得有可能获得唯一依赖于外部磁场的曲线和产生内部电阻波动的曲线。
[0023] 可以数字地或模拟地完成这两个曲线M1和M2的重构。
[0024] 当两点对应于非常不同的灵敏度时，本发明将更加有效。例如，在具有调整隧道磁阻的结的设计中，隧道磁阻具有反对称势垒，对外部磁场的灵敏度甚至可以在高压下逆转。
[0025] 因此，根据本发明的设备使得能够分离由于低频噪声引起的磁阻传感器的电阻变化和由于外部磁场B的作用引起的电阻变化。换句话说，根据本发明的设备使得可以抑制磁阻传感器的低频噪声。
[0026] 根据本发明的设备还可以具有单独地考虑或根据其所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：
[0027] -用于测量磁场B的设备D包括根据半电桥布置设置的两个隧道磁阻传感器301、302和低噪声前置放大器PA，两个隧道磁阻传感器C对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器R和其中一个隧道磁阻传感器
301、302，半电桥布置还包括第一输出V+和第二输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器PA，每个输出V+、V-是其中一个电阻(R)和其中一个隧道磁阻传感器301、302之间的接合点；
301、302，半电桥布置还包括第一输出V+和第二输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器PA，每个输出V+、V-是其中一个电阻(R)和其中一个隧道磁阻传感器301、302之间的接合点；
[0028] -测量设备D包括第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a以及低噪声前置放大器PA，与第二对传感器402、402a相比，第一对传感器401、401a具有相反的响应，隧道磁阻传感器401、401a、402、402a根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a，电桥布置还包括第一输出V+和第二输出V-，两个输出被连接到低噪声前置放大器PA，每个输出V+、V-是第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a之间的接合点；
[0029] -半电桥或电桥布置被连接到电压Vb，电压Vb通过调制装置M来管理；
[0030] -半电桥或电桥布置被连接到第一电压Vb/2和连接到第二电压-Vb/2，电压Vb/2和-Vb/2通过调制装置M来管理；
[0031] -每个隧道磁阻传感器C由一组串联的隧道磁阻结构成；
[0032] -测量装置D包括局部加热装置，以便翻转至少一个隧道磁阻传感器的参考层703、704；
[0033] -调制装置M包括高频主时钟，高频主时钟用于产生切换信号，切换信号用于在第一工作点801和第二工作点802之间切换。
[0034] -切换信号包括时变电压信号Vb，所述信号被连接到半电桥布置或电桥布置，信号Vb用于在第一工作点801和第二工作点802之间切换隧道磁阻传感器；
[0035] -处理装置T，用于处理来自用于测量磁场B的设备D的信号，处理装置T包括用于快速数字采集来自前置放大器PA的信号的设备；
[0036] -处理装置T，用于处理来自用于测量磁场B的设备D的信号，包括：
[0037] -第一采样和保持电路，用于记录在第一工作点201处由测量设备D测量的信号M1；
[0038] -第二采样和保持电路，用于记录在第二工作点202处由测量设备D测量的信号M2；
[0039] -数字或模拟采集系统1301，用于线性组合从第一和第二采样和保持电路获得的信号；
[0040] -主时钟还产生第一采样和保持电路的第一控制信号和第二采样和保持电路的第二控制信号。
[0041] 本发明的另一主题是一种用于抑制磁阻传感器的低频噪声的方法，低频噪声与由测量设备测量的磁场相关，所述测量设备包括至少一个磁阻传感器，所述方法包括以下步骤：
[0042] -识别至少一个磁阻传感器的第一和第二工作点，磁阻传感器在第一工作点具有第一灵敏度，在第二工作点具有第二灵敏度，第二工作点的灵敏度低或为零；
[0043] -通过将磁阻传感器从具有第一灵敏度的第一工作点切换到具有第二灵敏度的第二工作点，以及从第二工作点切换到第一工作点，调制磁阻传感器的灵敏度，；
[0044] -在调制期间，测量在第一工作点S1存在磁场的情况下测量设备D的第一响应M1和在第二工作点存在磁场的情况下测量设备的第二响应M2；
[0045] -计算测量系统D的第一响应M1和第二响应M2的线性组合。
[0046] 根据本发明的方法的第一步骤使得可以识别设备D中包括的隧道磁阻传感器的两个工作点，两个工作点具有两种不同的灵敏度。
[0047] 有利地，选择第二工作点以便对磁场的灵敏度与第一工作点不同。这使得可以将由于传感器C的低频噪声引起的电阻波动与由于外部磁场引起的电阻变化区分开。
[0048] 接下来，例如使用调制装置M来调制传感器的灵敏度，以便在两个工作点之间切换设备D的隧道磁阻传感器。
[0049] 因此，有可能测量在第一和第二工作点的设备D的响应，以便识别在隧道磁阻元件的灵敏度低或为零的情况下，主要由低频噪声引起的电阻波动。
[0050] 根据本发明的方法还可以具有单独地考虑或根据其所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：
[0051] -隧道磁阻传感器C的灵敏度的调制频率MOD大于低频噪声变得小于与隧道磁阻传感器C相关联的热噪声时的频率101；
[0052] -隧道磁阻传感器C的灵敏度大于低频噪声变得小于与隧道磁阻传感器C相关的热噪声时的频率101的至少两倍；
[0053] -测量设备D包括根据半电桥布置设置的两个隧道磁阻传感器301、302和前置放大器PA，两个隧道磁阻传感器对磁场具有相反的响应，半电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括电阻器R和其中一个隧道磁阻传感器301、302，半电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声放大器，每个输出V+、V-是其中一个电阻器R和其中一个隧道磁阻传感器301、302之间的接合点；
[0054] -测量设备D包括第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a以及低噪声放大器，与第二对传感器402、402a相比，第一对传感器401、401a具有相反的响应，隧道磁阻传感器401、401a，402、402a根据电桥布置设置，电桥布置包括第一臂B1和第二臂B2，两个臂并联连接，每个臂包括第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a，电桥布置还包括第一电压输出V+和第二电压输出V-，两个输出被连接到低噪声放大器，每个输出V+、V-是第一对隧道磁阻传感器401、401a和第二对隧道磁阻传感器402、402a之间的接合点；
[0055] -至少一个隧道磁阻传感器的灵敏度的调制的步骤MOD是通过在隧道磁阻传感器C的终端上施加电压V来实施的，从而改变施加电压V时隧道磁阻传感器C的灵敏度；
[0056] -测量MES的步骤是使用数字或模拟采集系统1101执行测量设备D的第一响应M1和测量设备D的第二响应M2；
[0058] 参考附图，从下面给出的仅出于指示性目的而绝非限制性的说明中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
[0059] -图1示出了根据本发明的主题的用于降低低频噪声的系统S的图；
[0060] -图2示出了1/f噪声或低频噪声谱密度；
[0061] -图3a示出了隧道磁阻TMR结的磁阻随施加到该结的终端的电压的变化；
[0062] -图3b示出了隧道磁阻TMR结的电阻随外部磁场的变化；
[0063] -图4示出了与系统S相关的测量设备D的第一示例，该系统S用于减小如图1所示的低频噪声；在这种情况下，示出了具有两个磁阻元件的半电桥布置；
[0064] -图5a示出了与系统S相关的测量设备D的第二示例，该系统S用于减小如图1所示的低频噪声；在这种情况下，示出了具有四个磁阻元件的完整电桥式布置；
[0065] -图5b示出了与系统S相关的测量设备D的第三示例，该系统S用于减小如图1所示的低频噪声；在这种情况下，电桥是对称供电的；
[0066] -图6示出了隧道磁阻TMR结的典型堆栈；
[0067] -图7示意性地示出了系统S的实施方式，该系统S通过对从测量设备D得到的信号进行数字处理来抑制低频噪声；
[0068] -图8示出了用于抑制低频噪声的系统S的实施方式的电子图，该系统S使得可以以模拟方式获得两条曲线M1和M2并执行数字线性组合；
[0069] -图9示出了用于抑制低频噪声的系统S的实施方式的电子图，该系统S使得可以以模拟方式获得两条曲线M1和M2并执行模拟线性组合；
[0070] -图10示出了来自调制装置M的信号的示例，并且使得可以调制隧道磁阻TMR传感器的灵敏度；图10还示出了用于管理信号M1和M2的模拟处理电路的信号；
[0071] -图11示出了实施根据本发明的用于降低噪声的系统的方法的步骤。
具体实施方式
[0072] 图1示出了根据本发明的用于降低低频噪声的系统S的示例。系统S包括：
[0073] -调制装置M，用于调制至少一个隧道磁阻传感器C的灵敏度；调制装置包括例如，电压发生器或函数发生器，以产生时变电压。
[0074] -用于测量外部磁场B的设备D；设备D包括至少一个隧道磁阻传感器C、低噪声放大器PA以及带通滤波器FPB，低噪声放大器PA用于放大从磁阻传感器C获得的信号，带通滤波器FPB用于消除由D测量的信号的低频分量和高频分量；重要的是要注意，构成设备D部分的每个磁阻传感器具有不同的工作点，对外部磁场B的灵敏度也不同；设备D提供来自设备D的第一测量M1和第二测量M2；
[0075] -用于处理信号的设备T，以记录两个测量M1和M2和/或执行第一测量M1和第二测量M2的线性组合。
[0076] 图2示出了磁阻传感器的1/f噪声谱密度的示例。噪声谱密度表示为频率的函数。在该图中可以看到，低频噪声变得小于来自频率101的热噪声。在这种情况下，两个工作点之间的振荡频率必须大于频率101，并且如果可能的话，至少比对应于点101的频率大两倍。
[0077] 具有不同灵敏度的两个工作点之间的振荡频率也称为磁阻传感器的灵敏度的调制频率。
[0078] 有利地，最好选择足够高的调制频率，也就是说，选择高于电阻的波动变得等于热噪声的频率。
[0079] 图3a示出了隧道磁阻TMR结的磁阻随施加电压Vb的变化。点801和802示出了具有不同灵敏度的两个点并且被保留用于实施本发明。
[0080] 图3b示出了隧道磁阻TMR结的磁阻随外部场B的变化。曲线803表示在工作点801处磁阻随外部磁场B的变化。曲线804表示在工作点802处磁阻随外部磁场B的变化。
[0081] 在图3b中可以看出，由于电压Vb的施加，对外部磁场的灵敏度降低并且可以反转。
[0082] 图4示出了根据本发明的系统S的测量设备D的第一实施方式。根据该实施方式，测量设备D包括两个隧道磁阻传感器301和302以及两个相同的电阻器R。这四个元件根据图4所示的半电桥布置连接。
[0083] 特别地，半电桥布置包括连接到第一臂B1和第二臂B2的电源电压Vb。这两个臂并联连接。与连接到电压Vb的臂B1和B2的一端相反的一端接地。两个臂B1和B2中的每个包括电阻器R和隧道磁阻元件301、302。在图4所示的示例中，电源电压Vb被连接到两个电阻R之间的接合点。可替代地，电压Vb可以被连接到两个隧道磁阻传感器301和302之间的接合点。
[0084] 图4的布置的每个臂B1、B2包括输出V-、V+。两个输出V-、V+被连接到低噪声放大器PA。
[0085] 两个磁阻传感器301和302对外部磁场具有相反的响应。换句话说，在图4的电桥所占据的体积中的外部且均匀的磁场的作用下，第一磁阻传感器301的磁阻增加对应于第二磁阻传感器302的磁阻减小。
[0086] 有利地，这使得可以测量两个输出V+和V-之间的电位差，该电位差与要测量的外部磁场B成比例。
[0087] 为了实现本发明，必须在具有第一灵敏度S1的第一工作点801和具有第二灵敏度S2的第二工作点802之间调制具有隧道磁阻的磁阻传感器301和302的灵敏度。通过施加时变电压Vb并使隧道磁阻传感器的工作点从第一工作点801移动到第二工作点802，并且反之亦然，可以获得该调制。电压Vb可以由调制装置M管理。
[0088] 有利地，半电桥布置使得可以具有与磁阻传感器的工作点无关的输出。换句话说，当磁阻元件处于第一工作点201时，图4的电桥的差分输出电压接近于当磁阻元件处于饱和点202时的差分电压。
[0089] 该配置是非常有利的，因为在两种情况下都可以在不使低噪声放大器PA饱和的情况下放大电桥的输出电压。
[0090] 图5a示出了用于减少低频噪声的系统S的测量设备D的第二实施方式。在这种情况下，有带有四个隧道磁阻元件的完整电桥式布置。与元件402和402a相比，元件401和401a对外部磁场B具有相反的响应。
[0091] 图5a的电路的运行类似于图4的运行。可以通过施加时变电压Vb来改变隧道磁阻传感器的工作点。电压Vb可以由调制装置M管理。
[0092] 有利地，电桥式布置可以使输出与具有隧道磁阻的磁阻传感器的工作点无关，另一方面可以获得2倍的输出振幅。
[0093] 在图4所示的半电桥布置的情况下和在图5a所示的电桥布置的情况下，磁阻元件都必须具有对外部磁场相反的响应。可以根据已知的方法获得这种相反的响应：第一种方法是安装4个相同但物理上相反的传感器。该方法易于使用，但是需要具有两个独立的硅芯片，因此具有较高的商业成本。第二种方法包括通过局部加热装置，通过局部场下加热来翻转两个磁阻元件402、402a的参考层。第三种方法是沉积两个略有不同的堆栈，它们具有相反但非常相似的响应。在优选实施方式中，应用第二种方法，这使得可以具有可以低成本工业化的方法。
[0094] 隧道磁阻传感器的第一工作点801对应于电流，使得隧道磁阻元件的终端处的电压使其灵敏度非常高。每个接合点的典型电压值为100mV。在该优选实施方式中，为了使第一工作点具有2V或3V量级的输出电压，使用一系列串联的隧道磁阻结，通常串联20至30个，这是磁阻元件最敏感的模式。在这种情况下，每个隧道磁阻传感器C由一系列隧道磁TMR结形成。
[0095] 第二工作点对应于隧道磁阻传感器中的电流，该电流产生每个元件伏特量级的电压，因此对于一系列元件电压为20至30V。为了简化下游电子设备，可以为电桥供电对称电压，如图5b所示。此时，第一个点对应于电桥上的+-1V，第二个点对应于电桥上的+-10V。在这种情况下，输入前置放大器PA不饱和。
[0096] 在施加电流及其抑制过程中可能会出现快速的小瞬变。有利地，电压Vb或电压+/-Vb/2可以由调制装置M管理。例如，Vb的第一值对应于调制装置M的第一配置，而Vb的第二值对应于调制装置M的第二配置。
[0097] 有利地，借助于调制装置M可以控制隧道磁阻元件的工作点。
[0098] 因此，根据本发明的系统S的设备D能够提供对应于隧道磁阻传感器的第一工作点的第一测量M1。该第一测量M1对应于图3a中的类型801的点。设备D还能够提供对应于隧道磁阻传感器的第二工作点的第二测量M2。第二测量M2对应于图3b中的类型802的点。
[0099] 有利的是，测量M2和M1是独立曲线，既包含由于外部磁场B引起的电阻波动，又包含对应于低频噪声的电阻固有波动。
[0100] 通过执行测量M1和M2的线性组合，因此可以消除低频噪声。在模式801中，信号是在电压Vb1处与外部场的电阻的波动总和乘以该工作点的灵敏度。在模式802中，信号是在电压Vb2处电阻的波动总和乘以该工作点的灵敏度。为了获得与电阻的波动无关的场的值，需要对在点801处获得的信号和在点802处获得的信号乘以VB1/VB2进行相减。
[0101] 图6示出了隧道磁阻TMR结的典型堆栈。通常为Cu或CuN型合金的层701用作下部电极。层702用作生长层。与CoFeB 704类型的层耦合的PtMn或IrMn类型的反铁磁层703用作参考。阻挡层由Al2O3或优选地MgO 705形成。层706和707形成常规的自由层。也就是说，在外部场之后的层。层708用作隧道结的上部接触的保护和起点。
[0102] 存在从文献已知的堆栈的许多替代方案。此处给出的不对称堆栈使得在高电压下具有相反的灵敏度成为可能。
[0103] 具有隧道磁阻的磁阻传感器C可以包括单个TMR结或串联连接的多个TMR结。
[0104] 图7示出了在无噪声信号的数字重建和直接数字采集情况下，根据本发明的系统S的示例性实施方式。
[0105] 调制装置M产生频率为f且脉冲宽度可调节的周期信号Vb。典型地，取决于所选择的TMR的大小，f通常在10kHz至10MHz之间。信号Vb提供图4的半电桥或图5a的电桥。可替代地，调制装置M可以提供电压+/-Vb/2以用于提供给图5b的电桥。构成信号Vb的典型脉冲宽度值是总周期的50％。信号Vb的例子是图10的信号1601。在电桥的输出端，低噪声前置放大器PA以及滤波器FPB分别在f之上和f之下的频率进行切割，以调节由数字处理装置DSP进行数字采集、转换和处理的信号。
[0106] 根据图7的实施方式的调制装置M包括例如，电压发生器、脉冲发生器或函数发生器，以产生时变信号Vb。信号Vb可以是诸如图10中所示的信号Vb的平方信号。重要的是要注意，图10中所示的信号Vb在对应于调制装置M的第一配置的第一值Vb1与对应于调制装置M的第二配置的第二值Vb2之间变化。根据图10所示的实施方式，Vb1小于Vb2。
[0107] 调制装置M的第一配置对应于隧道磁阻传感器C的第一工作点801，并且调制装置M的第二配置对应于隧道磁阻传感器C的第二工作点802。
[0109] 数字信号处理装置DSP通常在10MHz左右的采样频率下进行非常快速的采集。该信号直接在滤波器FPB的输出中采集。在这种情况下，所有处理都以数字方式进行。将应用于每个场转换之后的点平均。这样，两条曲线M1和M2被重建。接下来将这两条曲线相减以获得无噪声信号。
[0110] 有利地，由于使用数字信号处理装置DSP，该实施方式易于实现。
[0111] 其他实施方式基于模拟信号处理装置T的使用。
[0112] 图8示出了电气图的示例，这得益于数字处理装置DSP，使得能够以模拟方式获得两个独立曲线M1和M2以及以数字方式执行线性组合。除了图7中已经存在的模块外，还插入了双采样&保持1101。由调制装置M命令，调制装置M此时产生3个信号。第一信号Vb用于提供给根据图4、5a或5b的半电桥或电桥式布置类型。幅度和脉冲宽度的两个信号SH1和SH2被发送到采样&保持1101。因此，两个S&H 1101将测量信号M1和M2分开，当隧道磁阻传感器C在第一工作点801，测量M1；当隧道磁阻传感器C在第二工作点802，测量M2。两个信号M1和M2被存储、转换和减去，以获得无噪声信号。存储和减去测量信号M1和M2的这些运行由数字信号处理装置DSP执行。
[0113] 更具体地，关于图10解释了两个S&H电路1101的运行，图10示出了由调制装置M中包括的函数发生器产生的信号。x轴标度以μs为单位，纯粹用于说明性和非限制性目的。
[0114] 函数发生器在通常为1MHz的高频f，具有主时钟的作用，并产生三个信号Vb、SH1、SH2。信号Vb管理代替隧道磁阻传感器C的切换，并使其可以从第一工作点801转换为第二工作点802。信号SH1管理第一S&H 1101，信号SH2管理第二S&H 1101。
[0115] 图10示出了在信号Vb具有第一值Vb1时，第一值Vb1对应于设备D的隧道磁阻传感器C的第一工作点801，第一S&H电路处于采集模式。该第一S&H电路使得有可能工作回到测量M1。相反，当信号Vb具有第二值Vb2时，第二值Vb2对应于设备D的隧道磁阻传感器C的第二工作点802，第二S&H电路处于采集模式。该第二S&H电路使得有可能工作回到测量M2。
[0116] 调制装置M的第一配置对应于信号Vb的低电平：隧道磁阻传感器C位于第一工作点301。调制装置M的第二配置对应于信号Vb的高电平：隧道磁阻传感器C位于第二工作点。
[0117] 有利地，这种管理S&H电路的方式使得可以使用易于生产且成本低廉的电子器件来分离测量M1和M2。
[0118] 信号Vb与两个信号SH1和SH2之间的时移使S&H电路在切换结束后的短时间后进入采集模式，并在随后的切换之前进入记忆模式，如图11所示。
[0119] 有利地，该时移使得分离切换之后的瞬变成为可能，并使消除低频噪声更为精确。
[0120] 图9示出了根据本发明的系统S的第三示例性实施方式，其具有信号的完全模拟处理的步骤。与图8的设备不同，这次数字信号处理装置DSP由能够以模拟方式执行两个测量M2和M1相减的减法电路1301代替。
[0121] 有利地，图11的系统是完全模拟系统，并且在传感器的水平上是可集成的，从而使得这些调制和减法步骤对于用户而言是明晰的。
[0122] 图11示出了用于实施根据本发明的系统S的方法的步骤。
[0123] 在第一步骤ID期间，选择隧道磁阻传感器C的两个工作点801和802，其形成用于测量外部场B的设备D的部分。选择点801和802，以便对外部磁场B具有两个非常不同的灵敏度。在第二工作点802处的灵敏度S2甚至可以相对于在第一工作点801处的灵敏度1相反。
[0124] 在第二步骤MOD期间，调制装置M用于将隧道磁阻传感器C从具有第一灵敏度S1的第一工作点801切换到具有第二灵敏度S2的第二工作点802以及从第二工作点802切换至第一工作点801。
[0125] 在步骤MES期间，记录设备D的磁阻传感器在灵敏度区域和饱和区域中的响应，磁阻传感器的灵敏度的调制仍在进行中。在饱和区域中磁阻传感器的响应或测量M2主要包含由于低频噪声引起的电阻波动。除低频噪声引起的波动外，灵敏度区域中磁阻传感器的响应或测量M1还包含由于外部磁场变化引起的电阻变化。从而获得两条独立的曲线M1和M2，这两条曲线M1和M2是时间相关的。
[0126] 因此，可以在步骤LIN期间执行测量M1和M2的线性组合，以获得无噪声的信号以及可选地给出与低频噪声相关的电阻中唯一内部波动的曲线。
[0127] 根据一个实施方式，步骤LIN的线性组合在于减去两个测量M1和M2。
[0128] 根据另一实施方式，在步骤LIN期间，根据类型M1-αM2的公式线性地组合测量M1和M2。α通常由在测量M1和测量M2中施加的电压之比给出。
[0129] 根据本发明的方法的实施方式，隧道磁阻传感器的灵敏度的调制频率大于低频噪声变得小于与磁阻传感器相关联的热噪声时的频率101。
[0130] 根据该方法的实施方式，传感器的灵敏度的调制频率大于低频噪声变得小于与磁阻传感器相关联的热噪声时的频率101的至少两倍。
[0131] 可以使用测量设备D来执行步骤MES。设备D可以根据关于根据本发明的系统S示出的配置之一来生产。这些配置在图4、5a和5b中示出。
[0132] 可以使用用于处理信号的装置T来执行步骤MES和LIN。根据关于根据本发明的系统S所解释的配置之一，处理装置T可以是数字的、模拟的或部分数字的以及部分模拟的。
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