一种低功耗磁电阻开关传感器[实用新型专利]

(10)授权公告号 (45)授权公告日 2013.08.07C N 203119864 U (21)申请号 201320139350.7
(22)申请日 2013.03.25
201320128884.X 2013.03.20 CN
H03K 17/95(2006.01)
(73)专利权人江苏多维科技有限公司
地址215600 江苏省苏州市张家港市保税区
广东路7号
(72)发明人钟小军
(74)专利代理机构北京正理专利代理有限公司
11257
代理人
张雪梅
(54)实用新型名称
一种低功耗磁电阻开关传感器
(57)摘要
本实用新型公开了一种低功耗磁电阻开关传
感器，包括内部参考电压电路、复用器、磁电阻电
桥电路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路
和数字输出电路；内部参考电压电路一端接地，
其另一端电连接于电源稳压电路的输出端；比较
电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于电
源稳压电路，另一端接地，比较电路具有一个或多
个输入端和一个或多个输出端，且比较电路的一
个或多个输出端与数字控制电路中的一个输入端
电连接；磁电阻电桥电路一端与电源稳压电路的
输出端电连接，其另一端接地，磁电阻电桥电路的
输出端与比较电路的一个输入端电连接。

所述低
功耗磁电阻开关传感器具有灵敏度高、功耗低、响
应频率高、体积小、温度特性好的优点。

(66)本国优先权数据
(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书12页 附图8页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书12页 附图8页(10)授权公告号CN 203119864 U
*CN203119864U*
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1.一种磁电阻开关传感器，其特征在于，该开关传感器包括内部参考电压电路、复用器、磁电阻电桥电路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路和数字输出电路；
所述内部参考电压电路一端接地，其另一端电连接于所述电源稳压电路的输出端；所述比较电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于所述电源稳压电路，另一端接地，所述比较电路具有一个或多个输入端和一个或多个输出端，且所述比较电路的一个或多个输出端与所述数字控制电路中的一个输入端电连接；
所述磁电阻电桥电路一端与所述电源稳压电路的输出端电连接，其另一端接地，所述磁电阻电桥电路的输出端与所述比较电路的一个输入端电连接；
所述复用器被所述数字控制电路控制，所述复用器用于决定所述参考电压电路的哪些输出端与所述比较电路的一个输入端电连接；
所述数字控制电路的运行状态随内部逻辑状态和输入信号的变化而变化，且所述数字控制电路与所述复用器和所述数字输出电路电连接。

2.如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，在所述磁电阻电桥电路和所述内部参考电压电路与所述比较电路中间设有一低通滤波电路，所述低通滤波电路的输入端与所述磁电阻电桥电路的输出端和所述参考电压电路的输出端电连接，所述低通滤波电路的输出端与所述比较电路的输入端电连接，所述低通滤波电路用于减弱在截止频率以上的电压。

3.如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述电源稳压电路的输出电压V Bias 小于电源电压。

4.如权利要求3所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述比较电路包括一个或多个比较器电源开关，所述比较器电源开关用于决定哪些电流源与所述比较电路的电源端电连接，所述电流源还与所述电源稳压电路电连接，所述比较器电源开关被所述数字控制电路控制。

5.如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制电路为数字控制系统的一部分。

6.如权利要求5所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制系统包括多个逻辑运行模式和外加磁场的触发条件。

7.如权利要求6所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字控制系统的输出依赖于磁场，所述数字控制系统的输出具有双极开关特性、单极开关特性或者全极开关特性。

8.如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述磁电阻电桥电路包括第一磁电阻元件和第二磁电阻元件，且第一磁电阻元件和第二磁电阻元件电连接构成一推挽半桥。

9.如权利要求8所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件各包括一个或多个串联和/或并联的MTJ 元件。

10.如权利要求8所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述推挽半桥的敏感方向与所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。

11.如权利要求1所述的磁电阻开关传感器，其特征在于，所述数字输出电路包括锁存和驱动电路以及输出级，所述锁存和驱动电路的输入端与所述数字控制电路的输出端电连接，所述锁存和驱动电路的输出端与所述输出级电连接。

权 利 要 求 书CN 203119864 U
一种低功耗磁电阻开关传感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种低功耗磁电阻开关传感器。

背景技术
[0002] 磁性开关传感器广泛用于消费电子、白色家电、三表(电表、水表、气表)、汽车以及工业应用领域。

目前，主流的磁性开关传感器有霍尔传感器和AMR(各向异性磁阻)传感器。

在消费电子和三表应用领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗可达几微安，其工作频率为十几赫兹，其开关点为几十高斯。

霍尔开关传感器和AMR开关传感器在消费电子和三表应用领域的低功耗是通过牺牲其工作频率获得的。

在汽车和工业应用等需要高工作频率的领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗为毫安级，其工作频率为千赫兹级。

[0003] 近年来，以MTJ（磁隧道结）元件为敏感元件的新型磁电阻传感器开始应用于工业领域。

MTJ元件利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应，主要表现在：在磁性多层膜材料中，随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化。

在消费电子和三表等低功耗应用领域，以MTJ元件为敏感元件的开关传感器在工作频率为千赫兹级时的功耗为微安级，开关点为十几高斯；在汽车、工业应用等需要高工作频率的领域，以MTJ元件为敏感元件的开关传感器的工作频率可达兆赫兹级，其功耗仅为微安级。

[0004] 在技术应用中，磁性开关设备的一些技术说明是众所周知的。

美国专利2010/0026281A1公开了一种包括两个传感器的梯度仪，该梯度仪包括测量磁性目标的位置传感器和速度传感器。

申请号为201110125153.5的中国专利申请公开了一种以MTJ元件为敏感元件的磁性开关传感器。

本申请以上述两件专利为参考。

[0005] 现有技术中的开关传感器，其在休眠和工作状态的功耗都较高，且其工作频率较低。

因此，需要一种在休眠和工作状态均具有高灵敏度、低功耗、高响应频率、体积小的开关传感器。

实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供一种低功耗磁电阻开关传感器。

[0007] 本实用新型提供的低功耗磁电阻开关传感器包括内部参考电压电路、复用器、磁电阻电桥电路、比较电路、电源稳压电路、数字控制电路和数字输出电路；
[0008] 所述参考电压电路一端接地，其另一端电连接于所述电源稳压电路的输出端；[0009] 所述比较电路包括一个或多个比较器，其一端电连接于所述电源稳压电路，另一端接地，所述比较电路具有一个或多个输入端和一个或多个输出端，且所述比较电路的一个或多个输出端与所述数字控制电路中的一个输入端电连接；
[0010] 所述磁电阻电桥电路一端与所述电源稳压电路电连接，其另一端接地，所述磁电阻电桥电路的输出端与所述比较电路的一个输入端连接；
[0011] 所述复用器被所述数字控制电路控制，所述复用器用于决定所述参考电压电路的
哪些输出端与所述比较电路的一个输入端电连接；
[0012] 所述数字控制电路的运行状态随内部逻辑状态和输入信号的变化而变化，且所述数字控制电路与所述复用器和所述数字输出电路电连接。

[0013] 优选地，在所述磁电阻电桥电路和所述参考电压电路与所述比较电路中间设有一低通滤波电路，所述低通滤波电路的输入端与所述磁电阻电桥电路的输出端和所述参考电压电路的输出端电连接，所述低通滤波电路的输出端与所述比较电路的输入端电连接，所述低通滤波电路用于减弱在截止频率以上的电压。

[0014] 优选地，所述电源稳压电路的输出电压V Bias小于电源电压。

[0015] 进一步地，所述比较电路包括一个或多个比较器电源开关，所述比较器电源开关用于决定哪些电流源与所述比较电路的电源端电连接，所述电流源还与所述电源稳压电路电连接，所述比较器电源开关被所述数字控制电路控制。

[0016] 优选地，所述数字控制电路为数字控制系统的一部分。

[0017] 进一步地，所述数字控制系统包括多个逻辑运行模式和外加磁场的触发条件。

[0018] 再进一步地，所述数字控制系统的输出依赖于磁场，所述数字控制系统的输出具有双极开关特性、单极开关特性或者全极开关特性。

[0019] 优选地，所述磁电阻电桥电路包括第一磁电阻元件和第二磁电阻元件，且第一磁电阻元件和第二磁电阻元件电连接构成一推挽半桥。

[0020] 进一步地，所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件各包括一个或多个串联和/或并联的MTJ元件。

[0021] 进一步地，所述推挽半桥的敏感方向与所述第一磁电阻元件和所述第二磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。

[0022] 优选地，所述数字输出电路包括锁存和驱动电路以及输出级，所述锁存和驱动电路的输入端与所述数字控制电路的输出端电连接，所述锁存和驱动电路的输出端与所述输出级电连接。

[0023] 本实用新型具有如下有益效果：
[0024] 本实用新型的低功耗磁电阻开关传感器利用MTJ元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感应，具有灵敏度高、功耗低、响应频率高、体积小、温度特性好的优点。

附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本实用新型实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0026] 图1为现有技术的MTJ元件的多层膜结构示意图；
[0027] 图2为现有技术的MTJ元件的电阻与外加磁场之间的关系曲线图；
[0028] 图3为现有技术中的推挽半桥磁阻传感器的示意图；
[0029] 图4为推挽半桥磁电阻传感器在两种不同温度下的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；
[0030] 图5为模拟参考电压和桥式电路的示意图；
[0031] 图6为双极型和单极型磁电阻开关传感器的模拟过滤器和比较器的电路图；[0032] 图7为双极型和单极型磁电阻开关传感器的电路图；
[0033] 图8为双极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；[0034] 图9为单极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；[0035] 图10为推挽桥式磁阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；[0036] 图11为全极型磁电阻开关传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图；[0037] 图12为根据本实用新型优选实施例的全极型磁电阻开关传感器的模拟过滤器和比较器的电路图；
[0038] 图13为根据本实用新型优选实施例的全极型磁电阻开关传感器的电路图；[0039] 图14为根据本实用新型优选实施例的全极型磁电阻开关传感器操作的时序图。

具体实施方式
[0040] 下面结合附图及实施例对本实用新型的实用新型内容作进一步的描述。

[0041] 实施例
[0042] 如图1所示，现有技术的MTJ(磁隧道结)元件为纳米级的多层膜结构。

MTJ元件包括反铁磁层1、磁性被钉扎层2、非磁性氧化物层3和磁性自由层4。

磁性被钉扎层2的磁矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直或呈一定角度。

磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。

MTJ元件的工作原理为：MTJ元件的电阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。

当磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时，MTJ元件的电阻也随之变化。

[0043] 如图2所示，当外加磁场7的方向与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，且外加磁场7的磁场强度大于H1时，磁性自由层4的磁矩方向6与外加磁场7的方向平行，从而导致磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，这时MTJ元件的电阻最小。

当外加磁场7的方向与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，且外加磁场7的强度大于H2时，磁性自由层4的磁矩方向6与外加磁场7的方向平行，从而导致磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，这时MTJ元件的电阻最大。

H1与H2之间的磁场范围就是MTJ元件的测量范围。

[0044] 本实用新型采用以下方式或以下方式的组合对磁性自由层的磁矩方向进行偏置，实现磁性自由层的磁矩方向与磁性被钉扎层的磁矩方向垂直或呈一定角度：在磁性自由层的上层或下层沉积一层反铁磁层，利用反铁磁层与磁性自由层之间的交换耦合作用对磁性自由层的磁矩方向进行偏置；通过磁性自由层与磁性被钉扎层之间的奈尔耦合作用对磁性自由层的磁矩方向进行偏置；在传感器上集成设置一用于将磁性自由层的磁矩方向偏置的电流线圈，流过该电流线圈的电流方向与磁性被钉扎层的磁矩方向相同；磁性自由层的磁矩方向被其附近的永磁铁偏置。

[0045] 如图3所示，现有技术中的推挽式半桥MTJ开关传感器包括第一磁电阻元件11、第二磁电阻元件12和ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片13。

其中，ASIC芯片13与第一磁电阻元件11和第二磁电阻元件12相适配，且第一磁电阻元件11和第二磁电阻元件12均为感应元件，二者电连接构成一推挽半桥。

第一磁电阻元件11和第
二磁电阻元件12各包括一个或多个MTJ元件，且第一磁电阻元件11或第二磁电阻元件12的MTJ元件串联和/或并联。

MTJ元件为纳米级的多层膜结构，其中包括磁性自由层和磁性被钉扎层。

第一磁电阻元件11的磁性自由层的磁矩121与第二磁电阻元件12的磁性自由层的磁矩122的方向反平行。

第一磁电阻元件11的磁性被钉扎层的磁矩111与第二磁电阻元件12的磁性被钉扎层的磁矩112的方向反平行。

第一磁电阻元件11的磁性被钉扎层的磁矩111与其磁性自由层的磁矩121的方向相互垂直，且第二磁电阻元件12的磁性被钉扎层的磁矩112与其磁性自由层的磁矩122的方向相互垂直。

推挽半桥的敏感方向70与第一磁电阻元件11和第二磁电阻元件12的磁性被钉扎层的磁矩方向平行。

当沿着推挽半桥的敏感方向70有外加磁场时，推挽半桥的一个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向会趋向于与其磁性被钉扎层的磁矩方向平行，导致该磁电阻元件的电阻降低；与此同时，推挽半桥的另一个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向会趋向于与其磁性被钉扎层的磁矩方向反平行，导致该磁电阻元件的电阻升高，从而导致推挽半桥的输出电压V
OUT
（在后面的文
字描述和附图中，V
OUT =V
Bridge
）的变化。

推挽半桥的输出电压与外加磁场之间的关系曲线图，
如图4所示。

[0046] ASIC芯片13用于为所述推挽半桥提供稳恒电压V DD（下面的文字描述和图中用V
Bias
表示），并用于将推挽半桥输出的电压信号转换为开关信号。

ASIC芯片13可以根据不同的技术需求输出不同的开关信号，例如ASIC芯片13可以输出如图8所示的双极开关信号、如图9所示的单极开关信号或如图11所示的全极开关信号。

[0047] 上述实施例和图1、图2、图3作为背景信息提供，它们都来自于申请号为201110125153.5的中国专利申请，现将其作为参考。

[0048] 在高温和低温两种情况下，推挽半桥的输出电压和外加磁场之间的关系曲线，如图4所示，其中高温与低温之间的温度范围为本实施例的磁电阻开关传感器的工作温度极限范围。

在本实施例中，高温例如为100℃，简写为HT；低温例如为0℃，简写为LT。

图4中的曲线35对应于图2中的曲线，但是图4中的磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相对于外加磁场7旋转了180度。

因此，推挽半桥的第一磁电阻元件11的电阻与外加磁场的关系曲线显示为负斜率，推挽半桥的第二磁电阻元件12的电阻与外加磁场的关系曲线显示
为正斜率，这正如图4中的推挽半桥的输出电压V
Bridge 的曲线所显示，在V
Mid
24处达到平衡，
并且在V
Bridge
与外加磁场的关系曲线中显示为正斜率。

[0049] 推挽半桥低温下的输出电压V Bridge如实线曲线21所示，由曲线21可以看出，输
出电压V
Bridge 由最小值V
Min
LT23逐步增大为最大值V
Max
LT25。

推挽半桥的第一磁电阻元
件11和第二磁电阻元件12具有负的电阻温度系数(TCR：Temperature Coefficient of Resistance)和对应的负的温度系数电阻敏感度(TCRS：Temperature Coefficient of Resistance Sensitivity)。

当采用推挽电桥结构时，相应的温度系数电压敏感度(TCV)为-1000ppm/℃。

这意味着当温度变化超过100℃时，对于固定的偏置电压V
bias
和外加磁场
7，V
Bridge 的变化为-10%。

推挽半桥高温下的输出电压V
Bridge
如虚线曲线22所示，由曲线22
可以看出，输出电压V
Bridge 由最小值V
Min
HT26逐步增大为最大值V
Max
HT27。

V
bias
的一半对应
曲线的中点V
Mid 24。

V
bias
的值一般为1V，这样V
Mid
就是0.5V。

[0050] 后面所描述的比较电路的输出取决于其输入端输入的两个电压信号，其中，一个电压信号是图4中的推挽半桥87提供的输出电压V
Bridge
，另一个电压信号是由内部参考电
压电路提供的参考电压V
Ref 。

参考电压V
Ref
的值由下文描述的数字控制电路来控制。

参考电
压V
Ref 的一种可能值为图4中显示的29，即南极工作点电压（V
OP
S），V
Ref
的另一种可能值为
图4中显示的28，即北极工作点电压（V
OP N）。

在外加磁场为H
OP
S-LT30时，推挽半桥的输出电
压V
Bridge 的低温曲线21穿过南极工作点电压V
OP
S29，同时在外加磁场为H
OP
N-LT31时，推挽
半桥的输出电压V
Bridge 的低温曲线21穿过北极工作点电压V
OP
N28。

在外加磁场为H
OP
S-HT32
时，推挽半桥的输出电压V
Bridge 的高温曲线22穿过南极工作点电压V
OP
S29，同时在外加磁场
为H
OP N-HT33时，推挽半桥的输出电压V
Bridge
的高温曲线22穿过北极工作点电压V
OP
N28。

[0051] 这样，当外加磁场的绝对值大小与本实施例的磁电阻开关传感器的工作温度成正比关系时，比较电路便发生电路转换。

这种现象称之为“温度依赖性输出”，这种现象常常会对传感应用造成不良影响。

[0052] 内部参考电压电路和推挽半桥的电路如图5所示，其中电桥的右半部分为磁电阻电桥电路，即一推挽半桥，如虚线框87里所示。

该推挽半桥87包括两个电阻56和56’，其特性导致了图4中曲线21表示的输出电压V
Bridge
59。

电桥的左半部分为内部参考电压电路，如虚线框86里所示，该内部参考电压电路86包括10个串联的电阻131-140，且电阻131-140的电阻值不随外加磁场的变化而改变。

此内部参考电压电路86构成一个半桥，内部参考电压电路86和推挽半桥87构成一个全桥。

内部参考电压电路86包括7个电压输出端，该7个电压输出端输出7种电压信号，其中6种电压信号可以作为相应的开关阈值，即：南极工
作点电压V
OP S、南极复位点电压V
RP
S、南极待机阈值点电压V
ST
S、北极工作点电压V
OP
N、北极
复位点电压V
RP N和北极待机阈值点电压V
ST
N，此6种电压信号取自图5所示的连接节点，另
外一种电压信号为中点电压V
Mid。

虚线框86和87中的组件可以整合到同一硅芯片上，或者虚线框87里可以有一个或者多个含有磁电阻元件的芯片。

一个芯片到另一个芯片的连接
可以通过焊线或其他常用方法实现。

整个电路在接地点与V
Bias 63之间供电，其中V
Bias
63是
由下文描述的电路控制的固定电压。

[0053] 单极型、双极型和全极型三种磁电阻开关传感器具有不同的表现和对应的南极参考电压V
Ref
S值和磁场切换值，表1总结了阈值的名称和取值。

这些值仅起代表作用，它们可以根据特定的应用或者用户的具体要求而改变。

只要外加磁场的取值在第一磁电阻元件
11和第二磁电阻元件12的活跃范围内，即非饱和范围内，并且参考电压V
Ref 小于V
Bias
63，那
么表1给出的值就可以适用。

以双极性开关传感器的取值为例，H
OP S设置为V
Bias
的59%，假
设V
Bias 为1V，那么H
OP
S就是590mV。

当外加磁场为+30Oe时，便发生此转换。

[0054] 表1：双极型、单极型和全极型磁电阻开关传感器电路中与V Bias对应的参考电压和磁场强度
[0055]
[0056]
通过简单的线性关系，可将图4中的输出电压V OUT 和磁场之间的关系曲线21从
磁场单位Oe 转换为V Bias 的百分比，如表1的第5列所示；表1中的第6列“电压值(mV)(V Bias =1.0V)”显示了在假定V Bias =1V 的情况下，电压值随不同参考电压输出变化的关系。

需要注意的是V Bias 不一定是1V ，这仅仅是一个用来解释的典型值。

表1中的第7列为编译开关传感器所需要的磁场值，其单位为Oe 。

[0057] 图6是一个关于双极型和单极型磁电阻开关传感器的模拟滤波器和比较器的电路图。

比较器61为高增益放大器。

当比较器61的输出V A 67为H 或1时，表示比较器61的输出V A 67为高电平状态；当比较器61的输出V A 67为L 或0时，表示比较器61的输出V A 67为低电平状态。

当正输入端65的电压大于负输入端66的电压时，输出处于高电平状态。

比较器61的输出V A 67的高电平状态的电压值稍小于V CC 81，而比较器61的输出V A 67的低电平状态的电压值稍大于接地端64或者0V 。

比较器61通过正向电源输入端62连接到电源输入V cc 。

[0058] 电压输入端为V Ref 71’和V Bridge 71，V Ref 71’来自于图5中的内部参考电压部分，即虚
线框86所示部分；V Bridge 71来自于图5中的推挽半桥部分，
即虚线框87所示部分。

根据图7中的复用器MUX188的状态，V Ref 可以是V OP 或者V RP 。

每个输入通过标准的RC 低通滤波器72和72’。

每个低通滤波器有电阻73,73’,和电容74,74’。

输出信号幅度下降3dB 所对应的频率可以通过常用的公式(1)来计算：
[0059] F=1/[(2π)*(RC)] 公式(1)
[0060] 其中R 代表电阻，其单位为欧姆，C 代表电容，其单位为法拉。

这类产品的截止频率为100KHz 。

这个滤波器可以起到以下几个作用：1）消除高频噪声信号；2）当V Ref 等于或者接近V Bridge 时，高增益比较器在高电平输出和低电平输出之间跳动，滤波器可以减少这个跳动。

[0061] 比较器61和滤波器72,72’的电路图为图7所示的电路图的一部分。

在图7中，。