(57)【要約】      （修正有）【課題】２次調和検出モードの磁気抵抗センサを使用して弱い磁場を測定することができる方法を提供する。【解決手段】交流ドライブ電流４３０を低いノイズ領域に磁気抵抗センサ１０の操作の位置を移すために磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップ７０に印加することを含む方法であって、交流磁気ドライブ磁場４４０は、交流ドライブ電流によって磁気抵抗センサにおいて発生させ、測定される磁場４５０が磁気抵抗センサの交流磁気ドライブ磁場に重畳されるときに、磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出することを更に含む。測定される磁場は、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅と比例している。【選択図】図８
2013137301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場（４５０）を測定するための方法であって、
磁気抵抗センサの作動ポイントを低ノイズ領域にシフトするために、磁気抵抗センサ（１０）の上に横たわるドライブストラップ（７０）に交流駆動電流（４３０）を適用するステップであって、交流磁気ドライブ磁場（４４０）が、交流駆動電流によって磁気抵抗センサに生成されることを特徴とする、ステップと、
測定される磁場が磁気抵抗センサの交流磁気ドライブ磁場に重畳される（superimposed）とき、磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出するステップ、とを有し、測定される磁場が、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅と比例していることを特徴とする方法。
【請求項２】
ドライブストラップ（７０）の上に横たわるか、又は、下に横たわり、ドライブストラップに垂直であるもののうちの１つであるオフセットストラップ（８０）にオフセット電流（４３５）を適用するステップを更に有し、
オフセットストラップが、測定される（４５０）磁場に垂直である磁気抵抗センサのオフセット磁場（４４５）を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
磁気抵抗センサ（１０）にヌル磁場（４２５）を生成するために、ヌル電流（４１５）をドライブストラップ（７０）に適用するステップを更に有し、ヌル磁場は、測定される（４５０）磁場に対して並行であり、かつ、対向していることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  磁気トンネル接合（MTJ）は、高い磁気抵抗比率を有する（すなわち（Rmax-Rmin）/Rmin =ΔR/R）の100の％のオーダーの、そして、磁場の高水準に適度に現在使用する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル接合も、高い1/fノイズを有する。低周波の高いノイズ密度は、kHzのオーダーより少ない周波数で磁場のレベルを測定しないためのMTJの使用を予防する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0002]  本出願は、磁場を測定するために方法の方向を目指す。方法は、交流ドライブ電流を低いノイズ領域に磁気抵抗センサの操作の位置を移すために磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップに印加することを含む。交流磁気ドライブ磁場は、交流ドライブ電流によって磁気抵抗センサにおいて発生する。測定される磁場が磁気抵抗センサの交流磁気ドライブ磁場に重畳されるときに、方法は磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出することを更に含む。測定される磁場は、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅と比例している。
【０００４】
[0003]  請求された発明のさまざまな実施形態の詳細は、添付の図面および下記の説明に記載される。他の特徴および効果は、説明、図面および請求項から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】[0004]  図1Aは、本発明の多層磁気抵抗な磁気抵抗（ＭＲ）センサおよびドライブ・ストラップの一実施形態のブロック図である。
【図１Ｂ】[0005]  図1Bは、本発明によれる磁気トンネル接合（MTJ）、電気的接点およびドライブ・ストラップの一実施形態のブロック図である。
【図１Ｃ】[0006]  図1Cは、センサ、電気的接点、ドライブ・ストラップおよびオフセットが本発明によれば締めつける巨大な磁気抵抗（GMR）の一実施形態のブロック図である。
【図２Ａ】[0007]  図2Aは、本発明の図1Bの磁気トンネル接合の出力電圧を測定する回路の一実施形態のブロック図である。
【図２Ｂ】[0008]  図2Bは、本発明の図1Cの巨大なマグネトレジスターの出力電圧を測定する回路の一実施形態のブロック図である。
【図３Ａ】[0009]  図3Aは、本発明の図1Aの磁気抵抗センサを含んでいる磁気抵抗センサシステムの一実施形態のブロック図である。
【図３Ｂ】[0010] 図3Bは、２次調和モードのシミュレーションされた出力である。
【図４】[0011]  図４は、本発明の磁気抵抗センサおよびドライブ・ストラップの一実施形態のブロック図である。
【図５】[0012]  図5は、本発明の図4の磁気抵抗センサを含んでいる磁気抵抗センサシステムの実施形態のブロック図である。
【図６】図6は、本発明の図4の磁気抵抗センサを含んでいる磁気抵抗センサシステムの実施形態のブロック図である。
【図７】[0013] 図7は、本発明による磁気抵抗センサ、ドライブ・ストラップおよびオフセット・ストラップの一実施形態のブロック図である。
【図８】[0014]  図8は、本発明の図7の磁気抵抗センサを含んでいる磁気抵抗センサシステムの実施形態のブロック線図である。
【図９】図9は、本発明の図7の磁気抵抗センサを含んでいる磁気抵抗センサシステムの実施形態のブロック線図である。
【図１０】[0015]  図10は、本発明の磁場を測定する方法の一実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0016]  種々の図面における同じ参照番号は同じエレメントを示す。
[0017]  磁気抵抗（ＭＲ）センサが、磁場または地球の磁場の小さい変化の小さな値が検出されなければならないいかなる用途において、磁気コンパス、磁気異常検知、ギア-歯検知などに関して用いられる。フラックスゲートおよび超伝導クアンタムインターフェースデバイス（SQUIDs）は、磁場の測定小さな値または磁場の小さな変化を測定できるバルクレベル磁気センサである。
【０００７】
[0018]  チップ・スケール磁気抵抗センサは、ローコストで作られることができ、このように大きさレベル磁気抵抗センサに勝る利点である。異方性の磁気抵抗（AMR）センサ、GMRセンサおよびMTJセンサは、チップ・スケールで製造される。GMRおよびMTJスタックは、その間でスイッチで切り替え可能な磁化方位、固定する磁化方位を有する強磁性リファレンス層および障壁層を有する強磁性自由層を含む。異方性マグネトレジスターs（AMR）は、約2-3%の磁気抵抗の比率R/Rを有する。巨大なマグネトレジスターは、１０％のオーダーのより高い磁気抵抗の比率R/Rを提供するのが都合よい。磁気トンネル接合（MTJs）は、１００％のオーダーのより高い磁気抵抗（mR）比率さえも提供する。
【０００８】
[0019] チップ・スケールGMRまたはMTJセンサの他の効果は、それらの小さなサイズである。例えば、多層磁気抵抗センサ（GMRまたはMTJ）は、数１０乃至１００ｎｍのオーダーの寸法を有することができる。このように、100〜150ｎｍ幅MTJの上に横たわる200ナノメートル幅の金属ラインは、32Amp/Oeの「磁界変換因子」を有し、ミクロン幅ラインは、159Amp/Oeの時間変換因子を有する。このように、適切に造られた多層磁気抵抗センサの自由層を切替えるかまたは飽和させることを必要とする磁界が、適度の電流を適度の電力消費を必要としている特定用途向け集積回路（ASIC）を使用しているこの種のセンサに印加することによって生じる。
【０００９】
[0020]  しかし、多層磁気抵抗センサの（1/fおよびバルクハウゼン・ノイズコンポーネントを含む）ノイズ力のスペクトル密度は、AMRセンサのそれより高い。低周波で発生している磁気変化に関して、1/fノイズが支配し、かくして、より高い磁気抵抗センサ比率多層磁気抵抗センサは、対応するより高い信号対雑音比に変換しない。この種のセンサの高い磁気抵抗比率を低い最小限の検出可能な磁界（mdf）またはノイズ均等磁界解像度に変換するために、信号対雑音（SN）比率を改善することが重要である。周波数プロット対1/fノイズのニーより上の周波数で、信号対雑音（SN）比率は、増加する。ノイズ（バルクハウゼン・ノイズ）の二次ソースは、閉ループ技術の活用法によって減少することができるかまたは本願明細書において記載されている技術を相殺することができる。
【００１０】
[0021]  多層磁気抵抗センサに関する信号対雑音比を改善するシステム及び方法の実施形態を本願明細書において記載する。本願明細書において記載されているセンサシステムは、磁気トンネル接合のユニークな特性および／または高解像度を有するローコストおよび低い電力消費を可能にする巨大なマグネトレジスターを利用する。ここで用いられる用語多層MRセンサは、AMRセンサより大きい磁気抵抗比率を有する巨大なマグネトレジスターセンサおよび磁気トンネル接合センサの双方に印加する。本願明細書において記載されているシステム及び方法が、AMRセンサで使われることができるが、しかし、AMRセンサの低い磁気抵抗比率はこの種のAMRベースのシステムの効果を制限する。
【００１１】
[0022]  図1Aは、本発明による多層ＭＲセンサ10およびドライブ・ストラップ70の一実施形態のブロック図である。絶縁体65およびドライブ・ストラップ70は、磁気抵抗センサ10の上に横たわる。絶縁層65は、強磁性自由層60およびかぶせているドライブ磁気ストラップ70の間に位置する。ドライブ・ストラップ70の機能は、図3Aおよび4-9を参照して下記に説明する。多層MRセンサ10は、反強磁性物質（AFM）20、人造反強磁性物質（SAF）11、障壁層55および一番下から上部まで積み重ねられた自由層60を含む。人造反強磁性物質11は、強磁性束縛層30、Ru層40および一番下から上部まで積み重ねられたリファレンス層50を含む。「障壁層55」はまた、本願明細書において「バリア55」と称される。センサ10が磁気トンネル接合センサである場合、バリア55は酸化物絶縁体バリアである。センサ10がGMRセンサである場合、バリア55は伝導性非磁性メタル層である。
【００１２】
[0023]  適切に設計されたAFM/SAF構造のリファレンス層50のリファレンス層磁化400は「固定され（fixed）」、すなわち、（高水準、典型的には〜kOeまで）印加された磁場は、リファレンス層磁化400を著しく変えない。このように、リファレンス層50は、固い層と称される。図1Aに示される典型的な磁気抵抗センサ10では、リファレンス層50のリファレンス層磁化400は、Y軸と平行である。
【００１３】
[0024]  リファレンス層50は、バリア55の直下で横たわり、バリア55はリファレンス層50を自由層60から分離する。自由層60は、簡単な軸（easy axis）420を有する。磁気ドライブ磁界Hdrive(f)440およびいかなる印加磁場Happlied450も、容易に自由層60の磁化を変える。このように、自由層60は、軟らかい層と称される。線形センサに関して、自由層60の簡単な軸（easy axis）420は、リファレンス層磁化400に対して垂直に設計されている。図1Aに示される典型的な磁気抵抗センサ10では、自由層60の簡単な軸（easy axis）420は、Xと平行である。
【００１４】
[0025]  簡単な軸（easy axis）420は、自由層60での全ての磁気相互作用の正味の合計である。自由層の簡単な軸（easy axis）420は、異方性を成形するか、または、当業者に周知なように束縛層30をセットするのに用いられるより低い温度で束縛層30のセットに続く接合の中で磁化アニールを通してセットされる。低周波磁場Happlied450が簡単な軸（easy axis）420の方向以外の方向の自由層60に適用される場合、自由層磁化は印加磁場の方へ簡単な軸（easy axis）420から離れて回転する。交流ドライブ流から、idrive(f)および外部的に印加磁場が450をHappliedした結果になっている磁気ドライブ磁場Hdrive(f)の効果は、図3Aおよび3Bに関して後述する。外部的に印加磁場Happlied450は、磁気センサ10で測定される磁場である。非常にドライブ周波数fより少ない低周波で、変化することは弱いDC磁場または弱い磁場でありえる。
【００１５】
[0026]  AFM 20は、概して合金（例えばNiMn、PtMn、IrMnまたはFeMn）でできている。交流バイアスは、ほぼ200℃乃至350℃の範囲の温度で２、３時間の間、kOeのオーダーで磁場のSAF/AFM 11/20をアニーリングすることによって束縛層30に作成される。これは、AFM 20の間の接点および束縛層30に斜線磁場をこのように提供している束縛層30でAFM 20の補償されていない回転の方向を設定する。束縛層30およびリファレンス層50間の強い反強磁性継手は、束縛層磁化405のそれの反対側にリファレンス層磁化400の方向を設定する。SAF 11の正味の磁化は、ほぼ0であるように変えられる。このように、いくつかのkOeのオーダーの高い印加磁場は、束縛層/リファレンス層対30/50の磁化を変えることを必要とする。
【００１６】
[0027]  磁気抵抗センサ10の感度が高い軸は、自由層の簡単な軸（easy axis）420と直角をなす。磁気抵抗センサ10の抵抗Rは式Rによればリファレンス層磁化400および自由層磁化間の角度の関数であり、R(θ) = R0＋ΔR(1- cos )/2、ここで、リファレンス層間の角度は磁化および自由層磁化である。かくして、フィールドHapplied450がこの印加磁場の影響の自由層磁化の回転が生じるセンサに適用されさえすれば、線形転送がこの磁場の少ない値のための磁気抵抗のために機能して、cos(θ）は磁場Happliedで線形に変化する。
【００１７】
[0028]  図1Bは、本発明による磁気トンネル接合14、電気的接点27および28およびドライブ・ストラップ70の一実施形態のブロック図である。磁気トンネル接合（MTJ）14は図1Aに示すように磁気抵抗センサ10である。図1Aに示される障壁層55は、磁気トンネル接合14の酸化物障壁層56である。非磁性キャップ層61は、磁気トンネル接合14の自由な層（FL）60を上に横たわらせる。電気接触（下部導線）27が、シリコン（Si）基板25上の絶縁体26にかぶせる。電気的接点27にかぶせている非磁性種子層22は、AFM層20の成長を促進するために用いる。電気接触（上部リード）28がキャップ層61にかぶせられる。絶縁体層72は、電気的接点28をドライブ・ストラップ70から分離する。電気的接点27および28は、磁気トンネル接合14の磁気抵抗R(θ）を測定するために、回路に磁気トンネル接合14を接続するように構成される。図1Bに示すように、電流は下部導線（電気的接点27）から、上部リード（電気的接点28）まで差し向けられる。図2Aは、本発明の図1Bの磁気トンネル接合14の出力電圧Voutを測定する回路90の一実施形態のブロック図である。この実装のある実施形態では、他の絶縁体層およびオフセット・ストラップの実施態様は、磁気トンネル接合14のドライブ・ストラップ70にかぶせる。
【００１８】
[0029]  図1Cは、本発明によればGMRセンサ13、電気的接点128および129、ドライブ・ストラップ70およびオフセット・ストラップ80の一実施形態のブロック図である。GMR 13は、図1Aで示す多層磁気抵抗センサ10である。図1Aに示される障壁層55は、非磁性導電層57（例えばCu層57）である。巨大なマグネトレジスター13は、current-in-plane（CIP）モードにおいて作動可能である。絶縁体26にかぶせている種子層22は、AFM層20の成長を促進するために用いる。非磁性キャップ層61は、巨大なマグネトレジスター13の自由層60にかぶせる。2つの電気的接点（リード1および2）128および129は、キャップ層60の一部に対向して上に横たわる。電気的接点128および129は、絶縁体層73によって各々から切り離される。絶縁体層73も電気的接点128および129をドライブ・ストラップ70から分離し、該ドライブ・ストラップ70は絶縁体層71によってカバーされる。オフセットストラップ80は、絶縁体層71の上に横たわる。オフセットストラップ80が図7、8および9に関して記載されている機能。
【００１９】
[0030]  電気的接点128および129は、巨大なマグネトレジスター13の磁気抵抗を測定するために磁気抵抗センサ10を回路に接続するように構成される。図1Cに示すように、電流はリード1（電気的接点128）からリード2（電気的接点129）まで差し向けられる。図2Bは、本発明の図1Cの巨大なマグネトレジスター 13の出力電圧Voutを測定する回路91の一実施形態のブロック図である。
【００２０】
[0031]  この実施形態の１つの実装では、巨大なマグネトレジスター13にかぶせているオフセットストラップ80はない。この実施形態の他の実装では、巨大なマグネトレジスター13は、当業者に周知のようにcurrent-perpendicular to plane（CPP）モードにおいて作動するように構成される。
【００２１】
[0032]  図3Aは、本発明の図1Aの磁気抵抗センサ10を含んでいる磁気抵抗センサシステム3の一実施形態のブロック図である。磁気抵抗センサシステム3は、磁気抵抗センサ10、ドライブ・ストラップ70、検出回路150、周波数生成器200および周波数デバイダ210を含む。磁気抵抗センサ10は、ドライブ・ストラップ70を敷設している破線のボックスで示され、磁気トンネル接合か巨大なマグネトレジスターである。
【００２２】
[0033]  検出回路150は、バンドパスフィルタ220および位相高感度探知器230を含む。位相高感度探知器230の出力は、ローパスフィルタ222への入力である。出力電圧Voutは、検出回路150に対するアンプ221を経た磁気抵抗センサ10から出る出力である。バンドパスフィルタ220は、位相高感度探知器230に、センス電圧を出力する。位相高感度探知器230は、振幅を表す情報および２次高調波コンポーネントのサインを出力する。出力電圧の２次高調波コンポーネントのサインを含んでいる振幅は、検出されている磁場Happlied450と比例している。「２次高調波コンポーネントのサインを含んでいる振幅」はまた、ここでは「２次高調波コンポーネントのサインされた振幅」または「サインされた振幅」と称される。
【００２３】
[0034]  図1Aに示すように、磁気抵抗センサ10は、その間でスイッチで切り替え可能な磁化方位、ピンでとめられた磁化方位（リファレンス層磁化400）を有する強磁性リファレンス層50および障壁層55を有する強磁性自由層60を含む。磁気抵抗センサ10にかぶせているドライブ・ストラップ70は、使用可能な状態で交流ドライブ電流idrive(f)を担持するように構成される。そして、それは周波数fと変換する。図3Aにおいて、周波数生成器200は、周波数デバイダ210を経てドライブ・ストラップ70に、交流ドライブ流を供給する。周波数生成器200は、周波数2fで変換している基準信号源を生成して、周波数デバイダ210に信号を出力する。周波数生成器200も、位相高感度探知器230に、周波数2fで変換している信号を出力する。周波数デバイダ210は、半分の周波数2fで変換している信号を分け、ドライブ・ストラップ70に周波数fで交流ドライブ電流idrive(f)を出力する。当業者に理解されるように、ドライブ・ストラップ70に周波数fでドライブ電流idrive(f)を変換させることを適用するために用いることができる他の技術がある。磁気抵抗センサ10を回路に接続するリードは、磁気抵抗センサ10の磁場を見ることの容易さのため、図1Aには示されない。
【００２４】
[0035]  （ドライブ・ストラップ70の430とラベルをつけられてダブル矢印で図1Aに示される）ドライブ電流idrive(f)は、磁気ドライブ磁場Hdrive(f)を生成され、それは440とラベルをつけられて循環性のダブル矢印として図1Aに示される。図1Aの440とラベルをつけられたダブル矢印で示すように、この磁気ドライブ磁場Hdrive(f) 440は、自由層60に延びる。磁気ドライブ磁場Hdrive(f) 440が+Y方向において発振するにつれて、自由層磁化が自由層60の磁場と平行の自由層簡単な軸（easy axis）420（図1A）から離れて、周期的に回転して（すなわち、平行で陽性Y軸に逆平行であるために）。発振磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440は、MTJまたはGMRの高いR/Rを利用するために1/f力スペクトル密度カーブのニーを越えて、磁気抵抗センサ10の操作の位置を移す。このように、発振磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440によって、磁気抵抗センサシステム3が高い信号対雑音比を成し遂げることができるのに都合が良く、または、少ない最小限の検出可能なフィールド（mdf）を検出する。
【００２５】
[0036]  磁気抵抗センサ10（磁気トンネル接合14または巨大なマグネトレジスター13）は自由層の磁気誘導および抵抗間の伝達関数ブロックを提供する。その結果、電圧測定は検出回路150においてなされることができる。
【００２６】
[0037]  具体的には、（自由層60を飽和させるために十分に高い振幅であるが、ただし、リファレンス層50は、実質的に影響を受けない十分に低い）ドライブ電流idrive(f)の範囲の内で、自由層磁化421は、磁気抵抗センサ10の周期的な抵抗変化を起こしているｙ軸に沿って正にから負の飽和に行く。図3Aの磁気センサ10の上面図に示すように、第１の時間t1で自由層磁化421’は、リファレンス層磁化400から角度1であり、および時間t2で、自由層磁化421”は、リファレンス層磁化400から角度2である。周期的なドライブ電流だけが磁気抵抗センサ10に印加される、DC（または低周波）磁場Happlied450がY軸に沿ってないとき、磁気抵抗センサ10の理想的な出力はfの奇数の調和倍数だけを含む。
【００２７】
[0038]  測定されたHapplied450である外部の磁場が磁気抵抗センサ10に適用されるとき、測定されたHapplied450である磁場は磁気抵抗センサ10の交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)に重畳され、磁気抵抗センサ10の出力は偶数の調和コンポーネントを発生させる。最も低いオーダーの偶数の調和は、周波数2fでの２次高調波コンポーネントである。この場合、自由層60の磁場は、発振磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440および外部的に印加磁場450を含み、それは磁気センサ10で測定されることになっている。検出回路150は、磁気抵抗センサ10の出力Voutの２次高調波コンポーネントを抽出する。印加磁気ドライブ磁場Happlied450対プロットされた２次高調波コンポーネントのサインされた振幅は、磁気抵抗センサ10の伝達関数である。Y軸に対してHappliedされた（Hdrive<<Happliedされた振幅）並行の小さな値に関して、２次高調波のサインされた振幅は、DC磁場Happliedと比例している。
【００２８】
[0039]  1/fノイズ・カーブのニーを過ぎている周波数fで、センサを駆動することによって、磁気抵抗センサ10の信号対雑音比は、ゼロ周波数の近くで動作の磁気抵抗センサの信号対雑音比より高い。
【００２９】
[0040]  周波数生成器200は、いかなる２次高調波コンポーネントなしでスペクトルで純粋な駆動波形を出力する。ドライブ電流idrive(f)に偶数の調和コンポーネントが存在する場合、印加磁場（いわゆるヌルオフセット）にない場合、出力Voutに偶数の調和コンポーネントが存在する。スペクトルで純粋な駆動波形が周波数生成器200によって生じない場合、検出回路の出力のヌルオフセットはユーザによって外で調整されることができる。
【００３０】
[0041]  図3Bは、２次調和モードのシミュレーションされた出力である。交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f) 430は、正弦波点線として示される。この文書を読んで即座に当業者が理解できるように、純粋なシヌソイド以外の周期的な波形が磁気ドライブ磁場Hdrive(f)のために使われることができる。自由層60のM-Hループの非線形性のため、交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f) 430はほとんど二乗された出力Vout波形470に結果としてなる。本願明細書において記載されている磁気抵抗センサ10の小さなサイズは、その場でのストラップが磁気抵抗センサ10を陽性にからに非常に適度の電流および電力消費の負の飽和に駆りたてるために使われるのを許す。
【００３１】
[0042]  Y軸と平行してHappliedされる印加DC磁場が交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)に重畳されるとき、僅かにゆがめられた（オリジナルの波形470から）波形480は発生する。違う波形490は偶数の調和だけを有すし、２次高調波コンポーネントの振幅はY軸と平行してHappliedされる印加DC磁場と比例している。
【００３２】
[0043]  リファレンス層磁化400がY軸に沿って固定される場合の動作は記載され、自由層の簡単な軸（easy axis）420はX軸と平行である。自由層の簡単な軸（easy axis）420がY軸と平行してあるとき、2次高調波動作は等しくよく作用し、すなわち、自由層磁化は、磁気抵抗センサ10上に印加された磁場Happlied入射がないとき（すなわち磁気抵抗センサ10のヌル状態）リファレンス層磁化400に平行であるかまたは逆平行である。
【００３３】
[0044]  図3Aを参照すると、検出回路150は、磁気抵抗センサ10から出力されている出力電圧Voutの入力としてとられ、出力電圧Voutの２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を決定する。バンドパスフィルタ220は、磁気抵抗センサ10から出力されている増幅された出力電圧Voutを入力してとり、約2fの狭い周波数範囲のセンス電圧を位相高感度探知器230にパスする。高感度探知器230は、バンドパスフィルタ220から約2fの狭い周波数レンジでセンス電圧を入力としてとり、また、生成器200から周波数２ｆで変換している基準信号源を入力としてとる。
【００３４】
[0045]  位相高感度探知器230は、出力電圧Voutの２次高調波コンポーネントのサインされた振幅と比例しているDCコンポーネントを含む電圧を生成する。位相高感度探知器230が生成プログラム200からの入力として周波数2fで交換している基準信号源460を受信するので、エイリアシング効果は位相高感度探知器230から出力されている非DCコンポーネントに結果としてなることができる。したがって、位相高感度探知器230の出力は、いかなる非DCコンポーネントも取り出すためにローパスフィルタ222に通される。このように、検出回路150は、振幅および出力電圧Voutの２次高調波コンポーネントのサインを決定する。出力電圧の２次高調波コンポーネントのサインを含んでいる振幅は、検出されている磁場Happlied450と比例している。
【００３５】
[0046]  図3Aに示すように、磁気抵抗センサシステム3のコンポーネントは、シリコン基板25に統合される。この実施形態の１つの実装では、磁気抵抗センサ10およびドライブ・ストラップ70はシリコン基板25に統合され、他のコンポーネントはオフチップである。
【００３６】
[0047]  図4は、本発明による磁気抵抗センサ10およびドライブ・ストラップ70の一実施形態のブロック図である。図5および6は、それぞれ本発明の図4の磁気抵抗センサ10を含む、磁気抵抗センサシステム5および6の実施形態のブロック図である。この実施形態の１つの実装では、磁気抵抗センサ10は、磁気トンネル接合（例えば図1Bに示される磁気トンネル接合14）である。この実施形態の他の実装では、磁気抵抗センサ10は、巨大なマグネトレジスター（例えば図1Cに示される巨大なマグネトレジスター13）である。図４のドライブ・ストラップ70は、ヌル電流inulling 415が正のＸ方向に印加されている図1Aのドライブ・ストラップ70と異なる。ヌル電流inulling415は、自由層60で正のＹ方向に方位付けられた磁性ヌル磁場Hnull415を生成する。磁気抵抗センサ10を回路に接続するリードは、磁気抵抗センサ10の磁場を見ることの容易さのために図4には示されない。
【００３７】
[0048]  図5に示すように、磁気抵抗センサシステム5は、磁気抵抗センサ10、ドライブ・ストラップ70、アンプ221、検出回路150、ローパスフィルタ222、周波数生成器200、周波数デバイダ210およびフィードバック回路160を含む。このシステムにおいて、ドライブ・ストラップ70を、閉ループ・モードの磁気抵抗センサ10を作動するために用いる。フィードバック回路160は、アンプ233およびインテグレータ237を含む。フィードバック回路160は、検出されている磁場（Happlied450）に対抗するヌル磁場Hnull425を生成するために磁気抵抗センサ10にかぶせているドライブ・ストラップ70に、ヌル電流inulling415を提供する。フィードバック回路160は、位相高感度探知器230からの信号330の入力としてとり、ドライブ・ストラップ70にヌル電流inulling415を出力する。信号330は、サインされた２次高調波コンポーネントと比例している。位相高感度探知器230はアンプ233に信号330を出力し、それは位相高感度探知器230から受け取られる信号330を増幅する。アンプ233の出力はインテグレータ237への入力であり、それは抽出された２次高調波コンポーネントの振幅と比例しているヌル電流inulling415を生成するために増幅された信号330を統合する。インテグレータ237の出力であるヌル電流inulling415は、ドライブ・ストラップ70への入力である。ヌル電流inulling415は、ヌル磁場Hnull425を生成し、それは磁気抵抗センサ10の測定されたHapplied450である磁場に対抗する。
【００３８】
[0049]  図5に示すように、出力電圧Voutの２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す情報は、アンプ233およびインテグレータ237からなるフィードバック回路160に送られ、それは当業者にとって公知である。フィードバック回路は、示すようにヌル電流Inulling415を生成する。ヌル電流inulling415は、安定直列抵抗R1にわたって電圧低下を測定することによって測定されることができる。直列抵抗R1全体のヌル電流415または対応する電圧低下は、Happliedと比例している。図5に示すように、ヌル電流inulling415は、印加磁場Happlied450と同等で反対側である磁気ヌル磁場Hnull425を生成する。
【００３９】
[0050]  このように、第２高調波信号330は、磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440を適用するのに用いられる同じドライブ・ストラップ70上で外部の印加磁場Happlied450を動かすために、フィードバック電流（すなわち、ヌル電流inulling415）として増幅され、集積され、使用される。印加磁場Happlied450のタイムスケールおよびその磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440が良好に切り離され、印加磁場Happlied450が低周波または近いDCの中であると仮定される。このように、自由層60の磁化の唯一の運動は、周期的な磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440によって生じるそれらである。磁気抵抗センサ10が印加磁場の範囲を感知するにつれて、自由層60の磁化状態のDC変動がなく、いかなる印加磁場Happlied450も磁気ヌル磁場Hnull425によってヌルにされる。磁気抵抗センサ10の信号対雑音比が、更に改善されて、更に磁気抵抗センサ10のダイナミックレンジを増やすために、このフィードバックはバルクハウゼン・ノイズを減らす。
【００４０】
[0051]  図６の磁気抵抗センサシステム６は、図５の磁気抵抗センサシステム５と同じ機能を有する。検出回路150がデジタル・プロセッサ250と取り替えられるという点で、図6の磁気抵抗センサシステム6は図5の磁気抵抗センサシステム5と構造において異なる。デジタル・プロセッサ250は、磁気抵抗センサ10からの入力としての出力電圧Voutを受信して、生成プログラム200からの入力として周波数2fで交換している基準信号源460を受信する。デジタル・プロセッサ250は、２次高調波コンポーネントを磁気抵抗センサ10から出る出力電圧Vout出力から抽出する。入力信号Voutの２次高調波コンポーネントのサインについては、デジタル・プロセッサ250は、振幅と比例した電圧を生成する。上記の通りに図５に関して、フィードバック回路160の出力はInullingであり、それはドライブ・ストラップ70に適用される。この実施形態の１つの実装では、アンプは磁気抵抗センサ10およびデジタル・プロセッサ250の間に位置する。
【００４１】
[0052]  図７は、本発明によれば磁気抵抗センサ10、ドライブ・ストラップ70およびオフセット・ストラップ80の一実施形態のブロック図である。図8および9は、それぞれ、磁気抵抗センサシステム8および9の実施形態のブロック図であり、本発明の図7の磁気抵抗センサ10を含む。図7-9に示すように、オフセットストラップ80は、ドライブ・ストラップ70にかぶせる。磁気抵抗センサ10がオフセットストラップ80によって上に横たわるという点で、図8に示される磁気抵抗センサシステム8の構造は図3Aの磁気抵抗センサシステム3と異なる。磁気抵抗センサ10がオフセットストラップ80によって上に横たわるという点で、図9に示される磁気抵抗センサシステム9の構造は図6の磁気抵抗センサシステム6と異なる。絶縁体層71は、オフセットストラップ80をドライブ・ストラップから分離する。磁気抵抗センサ10を回路に接続するリードは、磁気抵抗センサ10の磁場を見ることの容易さのために図7には示されない。
【００４２】
[0053]  この実施形態の１つの実装では、磁気抵抗センサ10は、磁気トンネル接合（例えば図1Bに示される磁気トンネル接合14）である。この実施形態の他の実施において、磁気抵抗センサ10は、巨大なマグネトレジスター（例えば図1Cに示される巨大なマグネトレジスター 13）である。この実施形態のさらにもう一つの実装では、ドライブ・ストラップ70は、オフセットストラップ80にかぶせて、絶縁体層71によってオフセットストラップ80から切り離される。
【００４３】
[0054]  図7のドライブ・ストラップ70は、構造および機能の点で図1Aに示されるドライブ・ストラップ70と同様である。オフセットストラップ80は、ドライブ磁場ストラップ70に対して垂直で、ドライブ電流idrive430に対して垂直であるオフセット電流ioffset435を操作上担持する。オフセットストラップ80は、測定されたHapplied450である磁場に対して垂直である磁気抵抗センサ10のオフセット磁場Hoffsetを生成する。周期的な磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440によって駆動されるにつれて、オフセットストラップ80は自由層60の磁化の力学を制御する。ioffset435を生成する電流源は示されないが、それは周知の電流源のいかなる一つでもあってよい。
【００４４】
[0055]  自由層60（自由層磁化421）の磁化のダイナミックなものは、サイズ、縦横比および自由層60および磁気抵抗センサ10の他の材料特性（粒度、欠陥密度、4πＭs）に依存する。より大きな磁気抵抗センサ10(＞〜１μｍ)に関して、飽和の1つの状態から飽和の対向する状態まで切り替えをする間の磁化の力学は、磁壁動力学（domain wall dynamics）を含む。切り替えをして調停されるドメイン壁は、バルクハウゼン・ノイズのソースであるバルクハウゼン・ジャンプを一般的に含む。〜１μｍより小さい寸法を有する磁気抵抗センサ10に関して、自由層60は飽和の1つの状態から核形成による飽和の対向する状態および磁気渦の普及まで切り替えをする。小さいまたは大きな寸法のために、自由層磁化の力学は、バルクハウゼン・ノイズが低減するケースの適当な条件の「コヒーレント回転」を含むことができる。
【００４５】
[0056]  自由層磁化421のコヒーレント回転は、磁気抵抗センサ10の動作の間、オフセット電流ioffset435をオフセットストラップ80に適用することによって発生するオフセット磁場Hoffset445を維持することによって確実にされる。オフセット電流ioffset435の大きさは、経験的に磁気抵抗センサ10の出力波形の品質を調べることで測定される。多層磁気抵抗センサ10がこの種の少ない寸法を有するので、ドライブ・ストラップ70およびオフセット・ストラップ80は電流および力の適度の値で操作可能である。
【００４６】
[0057]  図8に示すように、磁気抵抗センサシステム8は、図3Aに関して上記の通りにアンプ221および検出回路150を含む。図9に示すように、磁気抵抗センサシステム9は、図6に関して上記の通りに検出回路151およびフィードバック回路160を含む。この実施形態の１つの実装では、アンプは磁気抵抗センサ10およびデジタル・プロセッサ250の間に位置する。
【００４７】
[0058]  図10は、本発明による磁場Happliedを測定する方法1000の一実施形態の工程系統図である。方法1000はそれぞれ、図3A、5、6、8および9に関して上記した磁気抵抗センサシステム3、5、6、8および9に適用できる。
【００４８】
[0059]  ブロック1002では、交流ドライブ電流idrive(f)は、低いノイズ領域に磁気抵抗センサ10の操作の位置を移すために磁気抵抗センサ10にかぶせているドライブ・ストラップ70に適用される。低いノイズ領域は、1/fノイズ・スペクトルのニーより上にある。この実施形態の１つの実装では、交流ドライブ電流idrive(f)は、低いノイズ領域に磁気トンネル接合の操作の位置を移すために磁気トンネル接合14（図1B）にかぶせているドライブ・ストラップ70に適用される。この実施形態の他の実装では、交流ドライブ電流idrive(f)は、低いノイズ領域に巨大な磁気抵抗センサの操作の位置を移すために巨大な磁気抵抗センサ13（図1C）にかぶせているドライブ・ストラップ70に適用される。
【００４９】
[0060]  交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)は、ドライブ電流idrive(f)を交換させることによって磁気抵抗センサ10において発生する。交流ドライブ電流idrive(f)は、次のようにドライブ・ストラップ70に適用される：最初の周波数2fの信号は、周波数デバイダ210に対する周波数生成器200から出る出力である;最初の周波数2fの信号は、周波数がドライブ周波数fで信号を生成するために半分において分割されたということである;そして、ドライブ周波数fの信号は、ドライブ・ストラップ70への入力である。交流ドライブ電流idrive(f)は、ドライブ周波数fで交換している。ドライブ周波数fは、最初の周波数2fの半分である。
【００５０】
[0061]  測定されたHapplied450である磁場が磁気抵抗センサ10の交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)に重畳されるときに、ブロック1004は起こる。ブロック1004で、磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントは、抽出される。
【００５１】
[0062]  この実施形態の１つの実装では、磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントが抽出されるのは次の通りである：出力電圧Voutは、デジタル・プロセッサ250に対する磁気抵抗センサ10から出る出力である;出力電圧は、デジタル・プロセッサ250でのフーリエ分解である;最初の周波数の基準信号源は、周波数生成器200からのデジタル・プロセッサ250への入力である;そして、最初の周波数（2f）のフーリエ分解する出力電圧の２次高調波コンポーネントは、抽出される。それから、出力電圧Voutの抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号は、デジタル・プロセッサ250から出る出力である。それぞれ、図6および9に示される磁気抵抗センサシステム6および9は、このように磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントを抽出するように構成される。
【００５２】
[0063]  この実施形態の他の実施において、磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントは、次のように抽出される：磁気抵抗センサからの出力電圧は、バンドパスフィルタ220でフィルターをかけられる;バンドパスフィルタ220の出力（センス電圧）は、位相高感度探知器230への入力である;最初の周波数2fの基準信号源は、周波数生成器200からの位相高感度探知器230への入力である;フィルターをかけられた出力電圧の２次高調波コンポーネントは、位相高感度探知器230で抜き取られる;そして、出力電圧の抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号は、位相高感度探知器230から出る出力である。それぞれ、図5および8に示される磁気抵抗センサシステム5および8は、このように磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントを抽出するように構成される。
【００５３】
[0064] ブロック1006および1008は、任意である。ブロック1006および1008の一方または両方とも、磁気抵抗センサシステムの実施形態において実行されることができる。任意のブロック1006で、オフセット電流は、ドライブ・ストラップ70をかぶせるかまたは敷設するオフセットストラップ80に印加されて、ドライブ・ストラップ70に対して垂直である。オフセットストラップ80は、磁気抵抗センサ10のオフセット磁場Hoffset445を生成する。オフセット磁場Hoffset445は、測定されたHapplied450である磁場に対して垂直である。オフセット磁場Hoffset445は、バルクハウゼン・ノイズを減らすかまたは排除する。
【００５４】
[0065]  任意のブロック1008で、ヌル電流inulling415は、磁気抵抗センサ10のヌル磁場Hnull425を生成するためにドライブ・ストラップ70に印加される。ヌル磁場Hnull425が、測定されるHapplied450である磁場に対して平行かつ、対抗している。ヌル磁場Hnull425は、バルクハウゼン・ノイズを減らして、センサのダイナミックレンジを増やす。
【００５５】
[0066] In one implementation of this embodiment, nulling current inulling 415 is applied to the drive strap 70 to generate a nulling magnetic field Hnull 425 in the 磁気抵抗 sensor 10 as follows:
[0066]  この実施形態の１つの実装では、ヌル電流inulling415にすることは、次のように磁気抵抗センサ10のヌル磁場Hnull425を生成するためにドライブ・ストラップ70に適用される：最初の周波数の２次高調波信号は、アンプ233によって増幅され;増幅された2次高調波信号は、インテグレータ237に向かって抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅に、ヌル電流inulling415の比例項を生成するために統合される;そして、ヌル電流inulling415は、ドライブ・ストラップ70に対するインテグレータ237からの入力である。このように、測定されたHapplied450である磁場に対抗しているゼロ磁場Hnull425にすることは、磁気抵抗センサ10において発生する。それぞれ、図5、6および9の磁気抵抗センサシステム5、6および9は、このようにドライブ・ストラップ70にヌル電流inulling415を印加するように操作可能である。
【００５６】
[0067] 交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)がドライブ電流idrive(f)を交換させることによって磁気抵抗センサ10において発生するために、各々の磁気抵抗センサシステム3、5、6、8および9は磁場（弱いDC磁場を含むこと）を交流ドライブ電流idrive(f)を磁気抵抗センサ10にかぶせているドライブ・ストラップ70に適用することで測定するように操作可能である。ドライブ・ストラップ70に適用される交流ドライブ電流idrive(f)は、低いノイズ領域に磁気抵抗センサ10の操作の位置を移す。測定される磁場Happlied450が磁気抵抗センサ10の交流磁気ドライブ磁場Hdrive(f)440に重畳されるとき、磁気抵抗センサ10の出力の２次高調波コンポーネントは抜き取られる。２次高調波コンポーネントの振幅は、決定される。測定されたHapplied450である磁場は、抽出された２次高調波コンポーネントのサインを包含する振幅と比例する。オフセットストラップ80が、電流ioffsetを担持するためにドライブ・ストラップ70に対して垂直な場合、バルクハウゼン・ノイズは減少するかまたは排除される。ドライブ・ストラップ70が閉ループにおいて作動される場合、ヌル電流inulling415がまたドライブ・ストラップ70に適用され、バルクハウゼンノイズは減少する。図９に示すように、磁気抵抗センサシステム9は、バルクハウゼンノイズを減らすためにオフセット・ストラップ80およびフィードバック回路161を使用する。
【００５７】
[0068]  本願明細書において記載されている磁気センサのさまざまな実施形態は、DCまたは低周波で弱い磁場を検出するために2次高調波検出モードにおいて作動される。実施形態において、MTJまたはGMRが製造される同じSiチップに、いくつかまたは2次高調波検出回路およびフィードバック回路の機能の全ては統合される。
【００５８】
[0069]  本願明細書において記載されている磁気抵抗センサシステムが、車両のようなまたはアレイの遠隔目的からの磁気異常検出のためのナビゲーションに対する援助として、回路基板または集積回路製造の偽であるかトロイの木馬検出のために使われることができる。
【００５９】
例示の実施形態
[0070]  実施形態１は、磁場（４５０）を測定するための方法を含む。該方法は：
磁気抵抗センサの作動ポイントを低ノイズ領域にシフトするために、磁気抵抗センサ（１０）の上に横たわるドライブストラップ（７０）に交流駆動電流（４３０）を適用するステップを有し、交流磁気ドライブ磁場（４４０）が、交流駆動電流によって磁気抵抗センサに生成され、
測定される磁場が磁気抵抗センサの交流磁気ドライブ磁場に重畳される（superimposed）とき、磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出するステップ、とを有し、測定される磁場が、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅と比例していることを特徴とする。
【００６０】
[0071]  実施形態２は、ドライブストラップ（７０）の上に横たわるか、又は、下に横たわり、ドライブストラップに垂直であるもののうちの１つであるオフセットストラップ（８０）にオフセット電流（４３５）を適用するステップを更に有し、
オフセットストラップが、測定される（４５０）磁場に垂直である磁気抵抗センサのオフセット磁場（４４５）を生成する、ことを特徴とする実施形態１に記載の方法。
【００６１】
[0072]  実施形態３は、磁気抵抗センサ（１０）にヌル磁場（４２５）を生成するために、ヌル電流（４１５）をドライブストラップ（７０）に適用するステップを更に有し、ヌル磁場は、測定される（４５０）磁場に対して並行であり、かつ、対向していることを特徴とする実施形態１または２に記載の方法。
【００６２】
[0073]  実施形態４は、磁気抵抗センサのヌル磁場を生成するためにヌル電流をドライブ・ストラップに適用するステップを更に含み、ヌル磁場が、測定される磁場に対して平行であり、かつ対向することを特徴とする実施形態1-3のいずれかに記載の方法を含む。
【００６３】
[0074]  実施形態5は、交流電流をドライブ・ストラップに適用するステップが、
周波数生成器から周波数デバイダへの最初の周波数で信号を出力するステップと;
ドライブ周波数（最初の周波数の半分であるドライブ周波数）で信号を生成するために最初の周波数で信号を周波数的に分割するステップと;
交流ドライブ電流がドライブ周波数で交流である、ドライブ・ストラップにドライブ周波数で信号を入力するステップと、
を有する実施形態1-4のいずれかに記載の方法を含む。
【００６４】
[0075] 実施形態6は、磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出するステップが：
デジタル・プロセッサに出力電圧を磁気抵抗センサから出力するステップと;
デジタル・プロセッサで出力電圧をフーリエ分解するステップと;
周波数生成器からデジタル・プロセッサへの最初の周波数で基準信号源を入力するステップと;
最初の周波数でフーリエ分解した出力電圧の２次高調波コンポーネントを抽出するステップとを有し、
該方法が更に、
出力電圧の抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を出力するステップを有することを特徴とする実施形態1-5のいずれかの方法を含む。
【００６５】
[0076]  実施形態7は、
抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を増幅するステップと;
抽出された２次高調波コンポーネントの振幅と比例したヌル電流を生成するために抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す増幅された信号を統合するステップと;
ドライブ・ストラップにヌル電流を入力するステップと、
を更に有し、
測定される磁場に対向しているヌル磁場が磁気抵抗センサにおいて生成されることを特徴とする、実施形態1-6のいずれかに記載の方法を含む。
【００６６】
[0077]  実施形態8は、
磁気抵抗センサの出力の２次高調波コンポーネントを抽出するステップが：
バンドパスフィルタで磁気抵抗センサから出力電圧をフィルタリングするステップと;
バンドパスフィルタの出力を位相高感度探知器に入力するステップと;
周波数生成器から位相高感度探知器への最初の周波数で基準信号源を入力するステップと;
位相高感度探知器でフィルタリングされた出力電圧の２次高調波コンポーネントを抽出するステップと;
を有し、
該方法が、出力電圧の抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を出力するステップを更に有することを特徴とする実施形態1-5のいずれかに記載の方法を含む。
【００６７】
[0078]  実施形態9は、
抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を増幅するステップと;
抽出された２次高調波コンポーネントの振幅と比例したヌル電流を生成するために抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す増幅された信号を統合するステップと;
ドライブ・ストラップにヌル電流を入力するステップと、
を有し、
測定される磁場に対向しているヌル磁場が磁気抵抗センサにおいて生成されることを特徴とする実施形態8の方法を含む。
【００６８】
[0079]  実施形態10は、磁気抵抗センサの作動ポイントを低いノイズ領域にシフトするために、交流ドライブ電流を磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップに適用するステップが：
磁気トンネル接合の作動ポイントを低いノイズ領域にシフトするために、交流ドライブ電流を磁気トンネル接合にかぶせるドライブストラップに適用するステップ、
または、
巨大な磁気抵抗センサの作動ポイントを低いノイズ領域にシフトするために、交流ドライブ電流を巨大な磁気抵抗センサにかぶせるドライブストラップに適用するステップ
の一方からなることを特徴とする実施形態1-9のいずれかに記載の方法を含む。
【００６９】
[0080]  実施形態11は、
磁気抵抗センサシステムが：
スイッチで切り替え可能な磁化方位を備えた強磁性自由層と、ピンでとめられた磁化方位を備えた強磁性リファレンス層と、それらの間に障壁層とを有する磁気抵抗センサと;
交流ドライブ電流を担持するために磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップと;
ドライブ・ストラップに交流ドライブ電流を供給する周波数生成器と;
磁気抵抗センサから出力されている出力電圧を入力し、出力電圧の２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を出力する検出回路と、
を有し、
出力電圧の２次高調波コンポーネントのサインされた振幅が、検出されている磁場と比例していることを特徴とする、磁場を検出するための磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７０】
[0081]  実施形態12は、
検出されている磁場に対向しているヌル磁場を生成するために磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップにヌル電流を提供するフィードバック回路を更に有することを特徴とする、実施形態11の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７１】
[0082]  実施形態13は、
検出回路が、
磁気抵抗センサから出力されている出力電圧を入力するバンドパスフィルタと;
センス電圧をバンドパスフィルタから入力し、周波数生成器から基準信号を入力する位相高感度探知器と、を有し、
前記フィードバック回路が：
位相高感度探知器から受けた抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を増幅するアンプと;
サインされた振幅を表す増幅された信号を統合し、ドライブ・ストラップにヌル電流を出力するインテグレータとを有する、
ことを特徴とする、実施形態12の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７２】
[0083]  実施形態14は、
検出回路が;
フーリエ分解された出力電圧の２次高調波コンポーネントを抽出し、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を出力するデジタル・プロセッサを有し、
フィードバック回路が：
デジタル・プロセッサから受けた抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を増幅するアンプと;
サインされた振幅を表す増幅された信号を統合し、ドライブ・ストラップにヌル電流を出力するインテグレータと
を有することを特徴とする、実施形態11-12のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７３】
[0084]  実施形態15は、強磁性自由層と上に横たわるドライブ磁場ストラップとの間に位置する絶縁層を更に有する、実施形態11-14のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７４】
[0085]  実施形態16は、
ドライブ電流に対して垂直な相殺された電流を担持するドライブ磁場ストラップに対して垂直なオフセットストラップと;
ドライブ磁場ストラップとオフセット・ストラップとの間に位置する絶縁層と、
を更に有し、実施形態11-15のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７５】
[0086]  実施形態17は、磁気抵抗センサ、ドライブ・ストラップ、オフセット・ストラップ、周波数生成器および検出回路はシリコン基板に統合されることを特徴とする、実施形態16の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７６】
[0087]  実施形態18は、磁気抵抗センサ、ドライブ・ストラップ、周波数生成器および検出回路はシリコン基板に統合されることを特徴とする、実施形態11-16のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７７】
[0088]  実施形態19は、磁気抵抗センサは、磁気トンネル接合または巨大なマグネトレジスターのうちの1つであることを特徴とする実施形態11-18のいずれかに記載の磁気抵抗センサシステムを含む。
【００７８】
[0089]  実施形態20は、磁場を検出するための磁気抵抗センサシステムを含み、
磁気抵抗センサシステムが：
スイッチで切り替え可能な磁化方位、ピンでとめられた磁化方位を有する強磁性リファレンス層、および、それらの間に障壁層を有する強磁性自由層を有する磁気抵抗センサと;
ドライブ周波数で交流ドライブ電流を担持するために磁気抵抗センサにかぶせているドライブ・ストラップと;
ドライブ・ストラップに交流ドライブ電流を供給する周波数生成器と;
周波数生成器から最初の周波数の２倍の基準信号を入力し、出力電圧をフーリエ分解し、フーリエ分解された出力電圧の２次高調波コンポーネントを抽出し、抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を出力するように作動するデジタル・プロセッサと、
デジタル・プロセッサから受けた抽出された２次高調波コンポーネントのサインされた振幅を表す信号を増幅するアンプと;
サインされた振幅を表す増幅された信号を統合し、ドライブ・ストラップにヌル電流を出力するインテグレータと;
インテグレータの出力での直列抵抗と
を有し、
直列抵抗全体の電圧低下が、測定される磁場と比例していることを特徴とする。
【００７９】
[0090]  以下の請求項によって規定される本発明の多くの実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、特許請求の範囲の発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、記載されている実施形態に対するさまざまな変更態様がなされることができると理解される。例えば、交流ドライブ流はドライブ・ストラップの代わりに外部コイルによって発生することができ、相殺された電流はオフセットストラップの代わりに外部コイルによって発生することができる。他の実施形態に関して、ドライブ・ストラップおよび／またはオフセット・ストラップは、磁気抵抗センサのAFM層の下で形成されることができる。従って、他の実施形態は以下の特許請求の範囲内にある。
【図２Ｂ】
2013137301.tif 000003
【図３Ａ】
2013137301.tif 000004
【図３Ｂ】
2013137301.tif 000005
【図４】
2013137301.tif 000006
【図５】
2013137301.tif 000007
【図６】
2013137301.tif 000008
【図７】
2013137301.tif 000009
【図８】
2013137301.tif 000010
【図９】
2013137301.tif 000011
【図１０】
2013137301.tif 000012
【図１Ａ】
2013137301.tif 000013
【図１Ｂ】
2013137301.tif 000014
【図１Ｃ】
2013137301.tif 000015
【図２Ａ】
2013137301.tif 000016
【外国語明細書】
2013137301000001.pdf