CN104749536B

CN104749536B - 器件、磁传感器器件以及方法

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Publication number: CN104749536B
Application number: CN201410838472.4A
Authority: CN
Inventors: J·齐默; A·萨茨; W·拉伯格; H·布吕克尔; D·休斯
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2019-12-06
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: US20150185297A1; DE102014119488B4; DE102014119488A1; US10989769B2; CN104749536A

Abstract

本发明涉及器件、磁传感器器件以及方法。其中，根据实施例的一种器件可以包括：磁阻结构，包括具有自发生成的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层。

Description

器件、磁传感器器件以及方法

技术领域

实施例涉及器件、磁传感器器件以及方法。

背景技术

在众多技术应用中，磁场用于不同的目的。磁场包括磁场强度和方向。根据考虑到的应用，之前提到的任何或者所有物理量均可在技术上用于监视或者检测***等的操作状况。例如，基于调制的磁场的磁场强度，可以确定诸如汽车轮胎的部件的速度或者速率。通过确定磁场关于参考方向的角度，可以确定诸如方向盘之类的部件关于参考方向或者以预定方式根据参考方向的方向的定向。应用的其它示例来自诸如安保应用或者与安全相关应用之类的领域。例如，通过监视磁场强度，可以验证安全机制是否正确启动。

为了检测或者监视任何磁场强度或其组合，可以使用不同的传感器技术。磁阻结构代表一种可以非常灵活使用和实施的传感器技术。

发明内容

正在进行的努力是为了改进制造、确定相应一个或者多个磁学量的准确性、以及实施对应器件之间的折衷。

根据实施例的器件包括：磁阻结构，包括具有自发生成的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层。

根据实施例的磁传感器器件包括：磁阻结构，包括被配置为提供平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和包括参考磁化图案的磁参考层；另一磁阻结构，包括具有平面内非闭合通量磁化图案的另一磁自由层和包括另一参考磁化图案的另一磁参考层；以及至少一个电路，用于检测磁阻结构的电参数和另一磁阻结构的电参数响应于施加的外部磁场的变化。

根据实施例的器件包括：磁阻结构，包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层，其中电接触结构被配置为以平面内电流配置将电流供给到磁阻结构中。

根据实施例的器件包括：磁阻结构，包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层，该磁自由层包括由电绝缘层或者磁耦合层分离的至少两个铁磁层。

根据实施例的方法包括参照具有非闭合通量磁化图案的磁参考层检测磁自由层中的自发形成的平面内闭合通量磁化图案的变化。

附图说明

本发明的若干实施例将在附图中描述。

图1示出了根据实施例的器件的简化截面图；

图2示出了根据另一实施例的器件的示意性截面图；

图3a示出了穿过根据具有平面内电流配置的实施例的器件的示意性截面图；

图3b示出了穿过根据具有垂直于平面电流配置的实施例的器件的示意性截面图；

图4示出了包括至少两个铁磁层的器件的示意性截面图；

图5示出了根据实施例的方法的框图；

图6示出了器件关于极轮(pole wheel)的位置；

图7示出了由极轮创建的磁场的Hy场分量；

图8a示出了由位于居中位置的极轮创建的检测到的磁场；

图8b示出了由位于第一偏离中心位置的极轮创建的检测到的磁场；

图8c示出了由位于另一偏离中心位置的极轮创建的检测到的磁场；

图9示出了伸长的磁阻结构；

图10示出了平面内闭合通量磁化图案及其偏移(shifted)版本；

图11示出了具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层中响应于外部磁场的磁化；

图12示出了具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层的转移函数；

图13在左边部分示出了平面内闭合通量磁化图案，在右边部分示出了被外部磁场破坏的在左边部分示出的图案；

图14示出了具有自发生成的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层的简化相图；

图15示出了器件的简化平面图；

图16示出了器件的简化平面图；

图17示出了器件的简化平面图；

图18示出了器件的简化平面图；

图19示出了包括若干磁阻结构的器件的总面积的简化平面图；

图20示出了另一器件的简化平面图；

图21示意性示出了稳态扰动场对于磁阻自由层磁化与参考角度的角度偏差的影响；

图22示出了特定示例的自由层磁化的偏差；

图23示出了作为参考角度的函数的矢量长度的函数；

图24示出了在-45°角处的近似1.5mT的扰动场和在补偿之前的25mT的旋转磁场的角度误差；

图25示出了在-45°角处的近似1.5mT的扰动场和在补偿流程之后的25mT的旋转磁场的角度误差；

图26示出了全角度传感器器件的示意图。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述根据本发明的实施例。在此情境下，总括性参考标号将用于同时描述若干物体或者描述这些物体的共同特征、尺寸、特性等。总括性参考标号基于其各自的参考标号。此外，在若干实施例或者若干附图中出现的物体(但是在其至少一些功能或者结构特征方面相同或者至少相似)将用相同或者相似的参考标号表示。为了避免不必要的重复，关于这种物体的部分描述也涉及不同实施例或者不同附图中的对应物体，除非另外明确或者(考虑说明和附图的情境)含蓄地表示。因此，相似或者相关的物体可以用至少一些相同或者相似的特征、尺寸、以及特性实施，但是也可以用不同的性质实施。

实施例涉及基于XMR技术的例如在旋转速度传感器应用中使用的磁阻传感器和器件。然而，目前为止，应用不限定于旋转速度传感器应用。如上文所述，器件可以在非常不同的技术应用中使用，其中将确定、监视或者感测磁场的磁学量。在下文中，仅为简化目的，将主要在旋转速度传感器应用的情境下描述应用。然而，本文所描述的器件可以在很多其它应用中使用，其中可以使用基于磁阻技术的传感器或者器件。

磁阻传感器(XMR)可以例如基于各向异性磁阻(AMR)效应、巨磁阻(GMR)效应、异常磁阻(EMR)效应和/或穿隧磁阻(TMR)效应实施。如将在下文更详细阐述的那样，在这种传感器或者器件中所包括的磁阻结构可以自身包括沉积在例如裸片、衬底或者相似载体的表面上的层叠结构。响应于外部施加的磁场，诸如电阻的电参数将改变。其可以例如通过向磁阻结构提供平行于层叠结构(称为平面内电流配置(CIP配置))或者垂直于层叠结构(称为垂直于平面电流配置(CPP配置))的电流被检测、感测或者测量。除非另外陈述，下文描述的任何器件或者结构可以以CPP配置或者CIP配置二者中的一个进行操作。

此外，参照下文的附图，将基于简化的框图描述不同的器件。参照这些附图，将根据实施例把重点放在不同的方面和实施方式细节上。然而，根据实施例的器件，可以实施一个或者多个不同方面。

图1示出了根据实施例的包括磁阻结构110的器件100的示意性截面图，该磁阻结构可以沉积在诸如半导体裸片的衬底120上(仅举一个示例)。磁阻结构110包括磁自由层130和磁参考层140。磁自由层可以以如下方式设计，即该磁自由层自发生成平面内闭合通量磁化图案，同时形成磁参考层140使得其提供非闭合通量磁化图案。

磁自由层130的闭合通量磁化图案可以例如基本上包括单平面内闭合通量磁化图案，其中非闭合通量磁化图案或者磁参考层140可以包括共轴磁化图案(仅举一个示例)。闭合通量磁化图案可以例如至少部分地包括朗道(Landau)图案、圆周图案、涡旋图案或者任何上述图案的组合。朗道图案至少部分地包括类多边形闭合形状，而圆周图案可以包括更平滑、更圆的闭合形状。纯涡旋图案可以基本上是圆形的。然而，平面内闭合通量磁化图案可以包括上述图案的任何组合。此外，磁化图案的闭合磁化线可以根据任何上述图案完全塑形，但是也可以包括根据不同闭合通量磁化图案的部分。

磁自由层130被实施为自发生成平面内闭合通量磁化图案。换句话说，平面内闭合通量磁化图案可以在例如外部磁场的磁场强度小于成核磁场强度(nucleation magneticfield strength)时形成。换句话说，平面内闭合通量磁化图案可以例如由磁自由层130形成，这里假设其基态为无场状态(就外部磁场而言)。成核磁场强度可以(如将在下文阐述的那样)取决于用于磁自由层130的一种或者多种材料、其几何结构以及其它参数。成核磁场强度可以例如等于或者大于100μT。在其它实施例中，成核磁场强度可以等于或者大于1mT、等于或者大于2mT或者等于或者大于5mT。

如将在下文更详细阐述的那样，通过施加外部磁场，可以偏移自发生成的平面内闭合通量磁化图案，导致净磁化。然而，当外部磁场包括大于湮灭磁场强度(annihilationmagnetic field strengh)的磁场强度时，平面内闭合通量磁化图案可能被破坏。磁自由层130可以以如下方式设计，即湮灭磁场强度可以至少等于或者大于5mT、等于或者大于10mT或者等于或者大于20mT。湮灭磁场强度可以等于或者小于100mT、等于或者小于75mT或者等于或者小于50mT。

例如，磁自由层130可以包括磁自由层平面中的非伸长形状。例如，磁自由层可以包括凸型，该凸型包括沿着第一方向的第一延伸和沿着第二方向的第二延伸，其中第一方向和第二方向两者都在磁自由层130的平面内。第二方向可以垂直于第一方向。第一延伸可以以如下方式等于或者小于第二延伸，即第二延伸对第一延伸的比率最大为2。在其它示例中，该比率可以最大为5或者最大为10。

例如，磁自由层130至少部分地包括圆形、椭圆形、三角形、方形、多边形或者其任何组合。例如，磁自由层130可以包括在磁自由层130的平面中的在100nm至5μm之间范围内的最大结构尺寸。上述下边界100nm和上边界5μm目前为止不是强制的并且在不同的应用和器件中可以假设不同的值。例如，这些参数可以取决于材料成分、表面粗糙度以及其它细节。例如，在实施例中，下边界100nm也可以是200nm、500nm、或者1μm。此外，在其它实施例中，上边界5μm可以是3μm或者1μm。

同样也适用于磁自由层130的厚度，该磁自由层可以例如包括在1nm和50nm之间范围内的厚度。在其它器件100中，厚度可以更大，例如大于2nm、5nm或者10nm。然而，也可以实施小于1nm的厚度，然而上边界50nm可以更小(不取决于下边界1nm)，例如40nm、30nm，但是也可以更大。

此外，如将在下文更详细阐述的那样，根据实施例的器件100可以包括串联电耦合的多个磁阻结构110。多个磁阻结构可以例如在几何上以诸如正方形图案、六边形图案、三角形图案的常规图案或者其它常规图案进行布置。磁参考层140可以包括合成反铁磁(SAF)结构150，用于固定磁参考层140的非闭合通量磁化图案。例如，合成反铁磁结构150可以包括由耦合非铁磁层(例如，包括钌(Ru))分离的至少两个钴铁层(CoFe)。合成反铁磁结构150可以耦合到自然反铁磁层(例如，包括铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)或者镍锰(NiMn))。有时在磁阻结构110中或者之下还可以包括籽晶层或者相似层。

器件100可以进一步包括可选电路160，用于检测磁阻结构110的相应电参数响应于所施加的外部磁场的变化。例如，在磁阻结构110中，电阻可以响应于外部磁场的变化而变化。例如，当将恒定电流施加到磁阻结构110时，跨磁阻结构110的电压降会变化。相似地，当施加恒定电压时，电流会改变。自然地，电路160可以使用任何其它技术检测磁阻结构110的电参数的变化，包括例如用于保持某一电压或者某一电流的反馈技术。

在另一示例中，电路160可以单片实施在衬底120中。电路160可以基于CMOS、双极技术或者其组合(BiCMOS)。

图2示出了磁传感器器件100的示意性框图，该磁传感器器件包括磁阻结构110和另一磁阻结构170，两者都可以沉积在衬底120上。磁阻结构110包括磁自由层130，该磁自由层能够提供平面内闭合通量磁化图案。磁阻结构110还包括如上文所描述那样实施的磁参考层140。例如，磁自由层130可以被配置为提供结合图1所描述的平面内闭合通量磁化图案。

类似于图1中的磁阻结构110，图2中的磁阻结构110进一步包括磁参考层140，该磁参考层可以例如如在图1的情境下所描述的那样实施。换句话说，磁参考层140也可以包括非闭合通量磁化图案。此外，因为参考磁化图案对于外部施加的磁场较不敏感，可以使用也可以包括在磁参考层140中的合成反铁磁结构150固定参考磁化。

类似于磁阻结构110，另一磁阻结构170包括具有平面内闭合通量磁化图案的另一磁自由层180。因此，即使处于基态没有外部磁场，另一磁自由层180也可以包括净磁化。另一磁自由层180还可以包括显式(explicit)多域结构。

另一磁阻结构170进一步包括另一磁参考层190，该另一磁参考层可以例如具有另一参考磁化图案，该参考磁化图案可以例如相似于磁参考层140的参考磁化图案。因此，另一磁参考层190也可以包括合成反铁磁或者相似结构，用于固定另一参考磁化图案。

器件100还包括至少一个电路160，该电路可以耦合到磁阻结构110和另一磁阻结构170两者。电路160能够检测磁阻结构110的电参数响应于施加的外部磁场的变化以及检测另一磁阻结构170的电参数响应于施加的外部磁场的变化。电路160被进一步配置为提供感测信号，指示外部磁场的至少一个方向和作用于磁自由层130上的外部磁场的强度并且另一磁自由层180可以启动磁阻结构110的电响应和另一磁阻结构170的电响应。

电路160可以例如实施在相同衬底120上或者，换句话说，实施在相同裸片或者半导体裸片上。然而，磁阻结构110、另一磁阻结构170以及电路160可以实施在不止一个衬底120上。例如，两个磁阻结构110、170可以实施在相同衬底120上，而电路160可以实施在另一衬底上。自然地，电路160的任何组合和磁阻结构110、170中的一个可以实施在相同的衬底120上，而其它磁阻结构可以实施在不同的衬底上。自然地，所有这三种所述物体，即磁阻结构110、另一磁阻结构170以及电路160也可以实施在三个不同衬底120上。取决于诸如成本效益、能否获得预制造实体、专用条件或者其它条件的边界条件，之前描述的实施方式中的任何一个可以提供相比于其它解决方案更有吸引力的不同参数之间的折衷。

图3a示出了器件100的示意性截面图，该器件包括磁阻结构110，该磁阻结构可以沉积在衬底120上。磁阻结构110包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层130和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层140。两个磁层130、140由可以是导电层或者是绝缘层的层彼此分离。此外，该在两个磁层130、140之间的层最后可以包括其自身的磁图案，该磁图案可以例如由相邻磁层130、140中的任一个产生。该层还可以可选地实施在任何之前描述以及例如在图1和图2中示意性描绘的其它器件100中。

器件100进一步包括电接触结构200，该电接触结构被配置为在平面内电流(CIP)配置下，将由箭头210描绘的电流供给到磁阻结构110中。换句话说，由箭头210表示的电流主要沿着平行于磁阻结构110的层的方向流经磁阻结构110。换句话说，由箭头210描绘的电流基本上完全沿着磁阻结构110不包括其最小延伸的方向流经磁阻结构110。

为了更具体一些，通过将合适的材料层沉积到衬底120的主表面或者平行于衬底120的主表面的表面上来制造图3a以及其它附图所示的器件100、磁阻结构110以及可选地另一磁阻结构170。衬底120可以例如具有小于衬底120沿着另外两个方向的延伸的厚度，该另外两个方向基本上垂直于对应于该厚度的方向并且基本上彼此相互垂直。例如，当衬底120的厚度沿着第三方向(z-方向)延伸时，衬底120沿着第一方向(x-方向)和第二方向(y-方向)的延伸可以大于沿着第三方向或者z-方向的延伸或者厚度。例如，该厚度可以比沿着第一和第二方向的最小延伸小至少两倍、至少五倍、或者至少十倍。

相同的考虑对于包括在磁阻结构110(并且，可选地，对于另一磁阻结构170)中的层可以是有效的。这些层同样可以包括沿着第一、第二、以及第三方向的延伸，其中第三方向对应于具有最小延伸的方向。换句话说，磁阻结构110和可选地另一磁阻结构170的层厚度同样可以小于在衬底120主表面的平面内的延伸或者平行于衬底120主表面的平面的延伸。

图3a所示的示例中的电接触结构200包括掩埋导电层220-1、220-2，这些掩埋导电层被布置在衬底120内部并且基本上平行于衬底120的主表面230定向。掩埋导电层220通过过孔240-1、240-2耦合到磁阻结构110。然而，在器件100的其它示例中，电接触结构200可以包括不同布局和/或不同电连接技术。

图3b示出了穿过根据具有垂直于平面电流(CPP)配置的实施例的器件100的示意性截面图。例如，图3b所示的器件100可以实施为例如包括如磁阻结构110那样的TMR结构的TMR器件。相比于图3a中的器件100，掩埋在衬底120内部的电接触结构220-1包括掩埋导电层200以及并联耦合到掩埋导电层200的过孔240-1、240-2。电接触结构220-1因此可以形成电接触结构的一部分，用于电接触磁阻结构110。为了允许建立CPP配置，器件进一步包括布置在磁阻结构110顶部的另一电接触结构220-2。如由示意性画线表示的那样，另一电接触结构220-2可以用于将电流和/或电压提供到磁阻结构110或者用于从磁阻结构110提取(extract)电流。因此，在操作期间，如箭头210所指示的那样，电流可以基本上垂直于磁阻结构110的层布置流动。自然地，除了TMR磁阻结构110，同样可以使用GMR结构或者其它XMR结构。

图4示出了包括沉积在衬底120上的磁阻结构110的器件100的示意性框图。磁阻结构110包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层130。磁自由层130包括由电绝缘层或者磁耦合层260分离的至少两个铁磁层250-1、250-2。自然地，在其它示例中，磁阻结构110可以进一步包括可选的磁参考层140，该磁参考层可以再次由依靠所涉及的技术为导电或者非导电的层从磁自由层130分离。布置在磁自由层和磁参考层140之间的层可以例如包括其自身的磁图案，该磁图案可以例如由分别布置在上方或者下方的磁自由层130和/或磁参考层140的相互作用来产生。

然而，在器件100的其它示例中，可以使用不同的布置。例如，可以实施铁磁层250的数目以及层260相比于铁磁层250的数目减少一个的对应数目。

图5示出了一种方法的流程图，该方法包括在过程P100中参照具有非闭合通量磁化图案的磁参考层检测磁自由层130中自发形成的平面内通量磁化图案的变化。可选地，检测该变化可以包括在过程P110中检测包括磁自由层130和磁参考层140的磁阻结构110的电响应。

然而，参照图1到图4所描述的实施方式细节可以自由地与彼此组合。同样也适用于器件100的示例(将在下文更详细地描述)。

就结合图5所描述的方法而言，电路160(可以可选地实施)可以被配置为执行这种方法。换句话说，结合电路160所描述的操作和过程可以例如在一种方法中实施或者在该操作和过程中实施该方法。

虽然在下文中将在汽车应用的情境下描述很多示例，并且更准确地说是在速度传感器的情境下描述，但是器件100目前为止不限于这些应用。此外，以下示例中的很多是基于作为磁阻结构110的一个示例的GMR结构描述的。然而，应该注意的是，也可以结合磁阻结构110和另一磁阻结构170的框架采用诸如穿隧磁阻(TMR)效应、各向异性磁阻(AMR)效应、异常磁阻(EMR)效应以及其它相似磁阻效应的其它磁阻技术。除非明确描述，原理上，任何磁阻技术可以操作在平面内电流配置(CIP配置)(主要具有平行于相应磁阻结构110、170的层的较大延伸的电流流动)和垂直于平面电流配置(CPP配置)(至少部分具有垂直于磁阻结构110、170的层的电流流动方向)两者下。依靠所使用的实施方式和效果，电响应的改变可以根据所涉及的效果和配置而更大或者更小。

在汽车领域，很多如今基于磁阻的速度传感器结合磁极轮使用作为车轮换能器。换能器极轮通常仅具有受限的厚度或者轴向宽度。因此，由磁传感器产生的信号可以取决于机械安装位置。

图6示意性示出了该情况。图6示出了具有交替布置的磁北极和磁南极(在图6中分别由字母N和S表示)的磁极轮300的情况。图6还示出了器件100关于极轮300的两个位置310-1、310-2。不同的位置310关于沿着y-方向的位移而不同，沿着y-方向的磁场分量(Hy)将取决于器件100关于极轮300的相对位置310。

图7示意性示出了由极轮300创建的磁场的y-分量(Hy)作为关于极轮300的中心沿着y-轴的位移的函数并且作为极轮300和器件100的位置310之间距离的函数，换句话说，作为极轮300和器件100之间沿着z-方向的空气间隙的函数。

极轮300的交替布置的磁极在图7中由明暗条带图示，其中暗条带对应于南极，而明条带对应于北极(如已在图6中指示的那样)。

极轮300有时也称为编码轮(encoder wheel)。沿着y-方向的磁场强度(Hy)在图7中由线320表示，表示y-z平面内具有相等的或者(关于误差边缘)相似的Hy-值的位置。线320、线320′中的一个示出了磁场分量沿着y-方向的典型限制，该限制可能妨碍操作，或者至少妨碍器件100能够实现的准确性。下方的并且更偏离中心的(偏离y＝0)区域330因此可能妨碍器件100能够实现的准确性或者甚至妨碍器件100的操作。

除了沿着y-方向的磁场分量，磁极轮300还创建了称为Hx场幅度的沿着x-方向的磁场分量。由换能器轮或者极轮300生成的Hx和Hy场幅度的相位可以例如偏移近似90°。这会导致器件100中检测到的磁场矢量的旋转。

为了示出此情况，图8a示出了当器件100关于极轮在磁中心位置(y＝0)使得磁场沿着y-方向的y-分量Hy消失(Hy＝0)时，由器件100检测到的磁场的分布。图8b示出了当器件100处于偏离中心位置使得磁场的y-分量Hy对应于磁场x-分量的一半(Hx；Hy＝Hx/2)时的情况。相似地，图8c示出了器件100的偏离中心位置，其中沿着y-方向的磁场分量(Hy)等于沿着x-方向的磁场分量(Hx；Hy＝Hx)。

换句话说，图6、图7、图8a、图8b和图8c示出了Hy场分量可以取决于传感器安装位置310。对于磁力居中的磁阻元件，沿着y-方向的磁场分量可以近似为0(Hy＝0mT)。然而，对于偏离中心的元件和器件100，Hy-场幅度可以增加。图8c示出了一种不太有利(lessfavorable)的情况，其中磁场分量Hx、Hy具有相同的幅度。

常规磁阻结构通常为诸如长方形条带、椭圆形或者具有小于2μm宽度的其它相似形状的窄条带形结构，以便提供所谓的形状各向异性。图9示出了这种常规磁阻结构340，该常规磁阻结构可以例如在器件100中用作磁参考层140或者另一磁参考层190。磁阻结构340包括伸长的结构或者形状。磁阻结构340可以例如包括沿着第一方向的延伸，该延伸在图9中称为易磁化轴(easy axis)，该易磁化轴比沿着垂直于易磁化轴的方向的延伸大至少2倍但是区域也布置在磁阻结构340的平面内。这第二个方向也称为难磁化轴(hardaxis)。然而，沿着易磁化轴的延伸也可以是沿着难磁化轴的延伸的至少5倍或者至少10倍。

由于上述形状各向异性，因为能量原因，薄膜磁化趋向于沿着伸长结构的长度方向对准或者，换句话说，沿着易磁化轴，该效应和轴因此得名。结果，存在所谓的易磁化轴和所谓的难磁化轴，后者通常垂直于易磁化轴或者形状各向异性的轴。

形状各向异性的概念对于具有消失的(Hy＝0mT)沿着y-方向的磁场分量的完美安装位置的情形可以是非常有用的。在该情形下，形状各向异性在磁输入信号的跨零期间定义自由层的定向。然而，这可能导致不太有利的效果以及旋转场矢量。更确切地说，磁阻或者GMR输出信号可能出现不连续性，其可能引起信号抖动。形状各向异性和这种信号抖动之间的关系可以例如由斯通纳-沃法尔斯(Stoner-Wohlfarth)理论解释。

此外，静磁场具有沿着y-方向的分量(By-场)，可能导致对沿着x-方向的磁场的灵敏度减少。沿着y-方向的磁场可以例如由用于铁磁轮应用的反馈偏压磁体引起。由于这些By-场，自由层的磁化趋向于与起因于静态By和Bx分量的矢量加法的方向对准。因此，Bx-场的灵敏度会降低。起因于静态By-场的灵敏度变化可能是个问题，尤其对于关于轮子或者引擎速度的应用，其中可能使用了结合铁磁齿轮的反馈偏压磁体。如将在下文阐述的那样，器件100的示例可以通过设计减少或者甚至完全避免输出信号中的相似的不连续性并且，因此，减少By-场对于传感器灵敏度和能够实现的准确性的影响。

为了避免这种不连续性，可以使用所谓的几何平均方法，该几何平均方法仍然保留形状各向异性的概念，但是采用不同几何结构的磁阻元件的串联和/或并联连接，导致一种平均效果并且，因此，导致信号抖动的减少。然而，虽然几何平均可以减少观测到的信号抖动，但是某些应用可能需要(对于信号抖动而言)数值进一步下降，对此该方法可能不合适。一种器件100可以克服该限制(如将在下文更详细阐述的那样)。

器件100的示例使用对于磁阻元件或者结构110的特殊设计，该设计在外部磁场消失时(Hext＝0)具有经定义的磁化(与基于形状各向异性的磁阻元件相似)。然而，关于图9所示的更常规设计的不同可以是，不出现从一个半空间到另一个半空间的自由层磁化的切换。更确切地说并且如上文所述，器件100可以基于具有自发生成的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层，其例如可以至少部分地包括朗道图案、圆周图案以及涡旋图案中的至少一个。闭合通量磁化图案可以基本上为单个平面内闭合通量磁化图案。

图10的左边部分示出了一个示例，该示例示出了磁自由层130的具有涡旋或者类涡旋配置或者磁化的圆周磁化。在消失的外部磁场下(Hext＝0)，涡旋的中心可以基本上位于磁自由层130的中心，使得相应磁自由层的净磁化基本上消失。采用这种磁自由层130的器件可以例如称为涡旋磁阻结构，或者在例如GMR器件的情境下，称为涡旋GMR。

如上文所述，磁自由层可以以如下方式设计，即自发生成例如如图10的左边部分所示的平面内闭合通量磁化图案。换句话说，在无外部磁场的情况下，平面内闭合通量磁化图案的磁场配置可以表示相应***的基本水平。当例如沿着x-轴施加外部磁场时(外部Hx场)，涡旋的核心或者中心如图10的右边部分所示沿着y-轴偏移距离S0。相似地，通过沿着y-轴施加外部磁场(外部Hy场)，涡旋核心沿着x-轴偏移(未在图10中示出)。对于完全对称涡旋碟盘和沿着x-方向的单向磁化磁参考层的情形，磁阻结构的信号或者电响应可以仅对沿着x-方向的磁场(Hx场)敏感。该情况在图10的右边部分描述，示出了当涡旋的核心或者中心沿着y-方向移动了距离S0时的情况。这使得Hx的净磁化大于0mT。

应该注意的是，外部场仅偏移涡旋核心。相比于采用条带形状结构的更常规的方法，在操作期间不出现针对形状各向异性的再磁化。结果，传感器信号中的不连续性和信号抖动可以减少或者甚至可以消失。换句话说，对磁自由层130不采用形状各向异性，可以抵消出现信号抖动的至少一个根本原因。器件100可以使用该效应改进上述折衷。

图11示出了旋转场的涡旋核心移动。图11的上边部分示出了对于用于图11的下边部分所描述的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层，沿着x-方向的磁化曲线350、沿着y-方向的磁化曲线360、以及沿着x-方向的外部磁场370和沿着y-方向的外部磁场曲线380作为关于时间的函数。更确切地说，图11的下边部分示出了由图11的上边部分中的点示出的磁自由层磁化的四个连续配置。图11下边部分的第一图对应于当由于外部磁场作用于x-方向而存在沿着(负的)x-方向的净磁化的情况，其由在图11的下边部分中涡旋向下移动引起。图11的最右边部分对应于与左边部分的情况基本上相反的情况，其中由于作用于x-方向的外部磁场，磁自由层的净磁化基本上被引导到(正的)x-方向上。

中间的两幅图示出了其中由于存在外部磁场的y-分量，涡旋的核心不但沿着y-方向移动，而且沿着x-方向移动的情况。这导致y-方向上更小的净磁化。

换句话说，图11示出了涡旋移动。当沿着x-方向的外部磁场(Hx)施加到涡旋时，核心在y-方向上偏移并且增加了x-方向上的平均磁矩。

然而，如何达到诸如磁阻结构的磁自由层材料中的涡旋之类的圆周磁化仍然是个问题。软磁材料中的磁化趋向于以如下方式定向，即包括交换能量、各向异性能量、杂散场能量、塞曼(Zeeman)能量以及其它能量贡献的总能量被最小化。在无外部磁场时，这定义了基态。

结果证明，对于结合了某种材料的特定层厚度的特定几何结构，诸如涡旋的圆周磁化可以是有能量优势的。为了实现这种自发涡旋磁化的通常配置可以例如包括在100nm直到5000nm(5μm)之间的直径，其中自由层厚度在1nm和50nm之间(仅举几个示例)。

可以在形状、侧向尺寸、厚度、材料以及其它参数方面不同地设计磁阻结构110。很多配置都呈现在基态的类涡旋配置中。然而，不是所有的类涡旋配置都呈现相同的磁特性。

图12示出了平面内闭合通量磁化图案的特性，例如对于涡旋或者类涡旋配置而言。从起点(Hx＝0mT并且Mx＝0)开始通过增加或者降低外部磁场(Hx)，磁化Mx也基本上线性增加直到达到湮灭场Han。一旦达到湮灭场Han，就达到磁化Mx的饱和值，在外部磁场减少期间也保持该磁化Mx。然而，当外部磁场Hx达到成核场Hn时，闭合通量磁化图案重新形成并且磁化Mx下降到基本上线性的特性。通常地，湮灭场Han大于成核场Hn。然而，在成核场Hn和湮灭场Han之间的范围内，磁化Mx仍然基本上无磁滞(hysteresis-free)地遵循基本上线性的特性。

图12所示的特性基本上是关于起点(Hx＝0；Mx＝0)对称的。因此，不但通过增加外部磁场磁化Mx可以随之改变，而且还可以通过降低外部磁场或者在相反方向上施加外部磁场使磁化跟随该相反方向。

具有涡旋磁化的磁结构的如图12所示的转移函数(换句话说)可能在0磁场Hx＝0附近非常线性。当外部场Hx达到称为湮灭极限Han的某个限制时，涡旋的核心触碰结构的边界并且涡旋磁化被破坏以利于沿着外部场方向更单向的磁化。在图13中描述了该情况。

图13在左边部分示出了例如在消失的外部磁场Hx＝0mT下的涡旋磁化。相比之下，在图13的右边，由于过高的磁场超出湮灭磁场或者极限Han，涡旋结构已经被破坏或者湮灭。例如，该仿真(其结果在图13右侧中示出)是基于-50mT的外部磁场。

如果磁场强度再次减少，涡旋磁化可以再次自发形成，其中成核场Hn被下冲(undershot)。通常地，湮灭场Han和成核场Hn将不具有相同的值。然而，湮灭场Han和成核场Hn可以确实具有相同的值或者至少非常相似的值，使得在操作期间，这些场看上去是相同的。

湮灭场Han和成核场Hn之间的区域由磁滞行为覆盖。尤其对于速度传感器应用，其中传感器在H＝0mT附近生成开关信号，因此可以将这种设计操作为在信号生成期间总是保持在涡旋状态下。当外部场保持在湮灭场Han之下时，转移函数可以被认为是基本无磁滞的。

图14示出了磁自由层的厚度和直径的函数的简化相图，单位为交换长度lexch。对于软磁材料，交换长度可以被近似为lexh＝(A/(Js²/μ0))^0.5，其中A是交换常数并且Js是磁极化。μ₀＝4·π·10-7Vs/(Am)是真空磁导率。更概括地说，交换长度可以定义为lexch＝min((A/K₁)^0.5,(A/(Js²/μ0))^0.5)，其中min(…)是最小值函数并且K₁是各向异性常数。

图14示出了在0kJ/m³和30kJ/m³之间的四个不同的单轴各向异性能量，四个透磁合金盘具有近似5.88nm的交换长度。在图14中曲线的右上方，可以存在涡旋状态，而在曲线之下，单域状态是优选的状态。

基于图14所示的相图，基于例如用透磁合金生产的碟盘的直径，可以推导出诸如湮灭场Han或者成核场Hn之类的临界磁场。根据碟盘的直径，可以获得大于100mT的湮灭场Han。直径越小，湮灭场Han越高并且成核场Hn变得越大。

器件100因此可以包括例如具有在0mT处自发形成的涡旋磁化自由层和大于0mT的成核场Hn的单涡旋磁化的自由层。器件100可以进一步包括例如不具有涡旋磁化的、沿着轴的单向均匀磁化的参考***(磁参考层140)。

原理上，这种器件可以操作在CIP或者CPP配置下。磁阻结构110可以是基于例如AMR、GMR或者TMR技术。湮灭磁场Han可以例如在5和100mT之间的范围内，而成核场Hn通常小于湮灭磁场Han，但是大于100μT。磁自由层130可以例如包括在1nm和50nm之间的材料厚度(仅举一个实施方式)。自由层可以进一步包括在100nm和5μm之间的结构尺寸。自由层可以包括诸如圆形、三角形、正方形或者相似的多边形之类的非伸长侧向形状。

如将在下文更详细阐述的那样，这种单涡旋元件可以例如包括电连接。电流分布可以例如设计为平行于或者反平行于磁参考方向或者磁参考层140的净磁化。使用该方法，可以使用电连接增加感测效果。

依靠所涉及的技术，使用多于一个磁阻结构110可能是明智的，该磁阻结构可以例如串联耦合或者连接以便具有两个或者多个元件。自然地，磁阻结构110可以耦合为惠斯通(Wheatstone)桥配置。

在下文中，将以巨磁阻(GMR)效应为基础描述一些实施方式。作为磁阻结构110的一个示例的这种GMR结构中的相对电阻变化可以近似由下式描述：

(R(H)/R_↑↑)/R_↑↑＝GMR₀/2·(1–M(H)/M_S) (1)

在等式(1)中，GMR₀是电阻变化的总相对幅度，而M(H)是响应于外部磁场H的磁化并且M_s是饱和磁化。总相对幅度GMR₀由下式给出:

GMR₀＝(R_↑↓/R_↑↑)–1, (2)

其中R_↑↓和R_↑↑分别是自由层和参考层的反平行磁化配置和平行磁化配置中的电阻。

对于传感器应用，总电阻和灵敏度对于性能可以是决定性的。圆形碟盘的总电阻改变可以例如关键地由接触过孔或者焊盘关于固定的层(磁参考层140)的固定参考磁化和外部场方向的相对位置确定。例如，虽然磁化分量可以对于参考磁化+90°或者-90°定向并且产生相同的电阻，这些磁化贡献的任何再分布均不导致任何电阻改变。因此，关于Hy场的灵敏度可能很小或者甚至最小。

另一方面，Hx场的电阻响应可以显著增大。通过施加沿着x-方向施加磁场，自旋(spin)的任何再分布(在平行方向上或者在反平行方向上的份数)可以产生电阻信号。涡旋中心的线性偏移产生近似线性的电阻输出。因此，在线性区，就电阻而言的转移曲线可以相似于图12所示的转移函数。转移曲线关于涡旋核心相对偏移S₀/R可以例如是近似线性的，其中R是形成磁自由层130的碟盘的半径。

在此应该注意的是，在很多应用中仅对于小的偏移，S0线性地取决于所施加的场。准确的偏移和转移曲线可以因此更复杂并且由涡旋状态的磁化图案确定。

图15示出了包括单涡旋GMR元件或者磁阻结构110的器件100的电接触的示意性布局。仅为简化起见，在图15中，磁参考层140未示出。仅指示了其沿着x-方向对准的参考磁化Mref。磁自由层130基本上是碟盘形状并且由一大片表示磁自由层130的磁化或者磁化图案的箭头示出。由于外部磁场作用于负x-方向，涡旋的中心如图15所示沿着y-方向偏移S₀。

如图15所示，器件100进一步包括能够沿着x-方向注入电流Jx的电接触结构200。电接触结构200包括两个掩埋接触层220-1、220-2，用于分别向磁自由层130提供电接触和从磁自由层130提取电接触。如图3a的情境所述，掩埋导电层220被布置在衬底120(未在图15中示出)内部。为了电接触密封自由层，电接触结构200在磁自由层130的每个侧面上分别包括两个过孔240-1、240-2和240-3、240-4。过孔240和磁自由层130的重叠lov由两条直线390-1、390-2给出，这些直线垂直于磁参考层140的净磁化并且限定磁自由层130和过孔240的边界，或者更概括地说，电接触结构200与磁自由层130直接电接触的边界。

换句话说，电接触结构200电接触到磁阻结构110，使得该电接触结构包括与磁自由层130的重叠。该重叠可以在平面内或者平行于磁自由层130，沿着平行于或者反平行于磁参考层140的净磁化的方向。换句话说，参考可以沿着平行于或者反平行于例如由磁参考层140提供的磁阻结构110的净磁化的方向。

重叠可以为例如完全包括磁自由层130的圆形的最小半径的最多30％。换句话说，当磁自由层130是圆形时，该最小半径对应于磁自由层130的半径。然而，在磁自由层130的其它形状的情形下，可以例如参照完全包括磁自由层130的圆形的最小半径。

在器件100的其它示例中，电接触可以被布置为触碰磁自由层130或者其投影中的任一个或者布置在磁自由层130或者其投影中的任一个的外部。

如已经描述的那样，电接触结构200可以以如下方式布置，即电接触磁阻结构110，以便实现流经磁阻结构110并且基本上平行于或者反平行于磁参考层的净磁化方向的电流。

由于导电性(对于用于过孔和掩埋导电层220的材料通常更好)，电接触可能将磁自由层130的至少部分短路。例如，在圆形磁自由层130的情形下，碟盘半径的10％的重叠可以导致近似3％的面积损失。碟盘半径的30％的重叠可以导致近似18％的面积损失。随着面积损失，磁阻结构110的总电阻也可以下降。然而，GMR值可能仅被轻微影响。令人惊讶的是，根据实施方式细节，GMR值甚至可以随着增加重叠而增加。

例如，基于GMR的薄层电阻，20nm厚的钴铁(CoFe)堆叠可以近似为5Ω。对于10％或者30％的接触重叠，接触的碟盘的总电阻可以因此分别为近似4.5Ω或者3.5Ω。为了实现例如3kΩ的总电阻，串联碟盘的数目可以分别约为667或者857个。

传感器布局的总可用面积例如可以为800x 50μm²。基于具有近似500nm直径和600nm最小距离的接触孔洞，GMR元件之间的最小距离可以近似为1μm。假设例如1.5μm的碟盘直径，总数目320x 20＝6400个碟盘可以被布置或者组装在可用的面积中。下文将给出更详细的布局。

因此，即使使用GMR技术，电阻和平均效应也是可以实现的，其给予应用以合适的参数。

如以下讨论也将呈现的是，可以有很多不同的传感器元件布置，以便实现自由层130中的圆周磁化。除了碟盘形，也可以实施椭圆形或者三角形元件。基本上，可以通过任意传感器元件形状达到类涡旋磁化图案。然而，如果给出了形状，则稳定的圆周磁化可以由传感器元件的尺寸和自由层的厚度确定。在由形状、尺寸和层厚度给出的参数空间中，可以定义差不多大的空间，其中可以实现涡旋或者类涡旋磁阻结构110。

单器件的电接触结构200可以被布置为使得电流分布平行于或者反平行于由磁参考层140给出的单向磁参考方向。单涡旋或者类涡旋磁阻元件的电接触可以由不同形状的过孔连接提供，例如，基于图15所示的圆形形状，如在图16和图17的情境下所要描述的长的孔洞或者短的孔洞。然而，也可以实施其它类型的电接触和过孔连接。过孔连接可以例如设计为仅部分与磁阻结构110重叠，例如，具有1％到100％的重叠。

除了上述单传感器元件的接触，依靠所涉及的磁阻技术，可以实施在一个和数千个之间的更大数目的元件(例如大于10⁴个元件)，以达到期望的传感器电阻。可以例如以不同方式实现这些元件的电串联连接。下文将基于具有合适电连接的类涡旋形状，在图16和图17的情境下阐述两个示例。

图16示出了包括彼此并联耦合的两个磁阻结构110-1、110-2的器件100的平面图。再一次地，为了简化目的，未在图16中示出磁参考层140。然而，参考磁化平行于由图16中的箭头所指示的y-方向。

磁阻结构110-1、110-2中的每个分别包括磁自由层130-1、130-2。磁自由层130-1、130-2通过过孔240-1、…、240-4耦合到包括掩埋导电层220-1、220-2的公共电接触结构200。过孔240在此实施为与磁自由层130重叠的长过孔。

图17示出了相比于图16所示结构的相似结构。然而，器件100或者图17所示的结构包括串联耦合或者并联耦合的四个磁阻结构110-1、…、110-4。更确切地说，磁阻结构110-1、110-2与磁阻结构110-3和110-4一样并联耦合。然而，两个磁阻结构组都彼此串联耦合。同样地，电接触结构200的过孔240基本上相同地塑形为图16所示的过孔。

基于上述磁阻结构110，可以以经过良好定义的方式实现器件，以便实现GMR、TMR或者AMR元件的电接触，用于准确地检测磁化的变化。基于所涉及的技术，可以改进包括例如准确性的上述折衷。换句话说，器件100能够用作用于角度感测元件等的基于涡旋的磁阻传感器元件。

图18示出了器件100的另一示例，该器件非常相似于图17所示的器件。更确切地说，在简化平面图中示意性描绘的器件100也包括四个磁阻结构110-1、…、110-4，每个包括基本上是碟盘形的磁自由层130，以及在图18中仅为简化目的而省略的磁参考层140。再一次地，磁参考层140以如下方式布置，即沿着共同方向的净磁化如图18所示那样实施(Mref)。

再一次地，电接触结构200包括掩埋导电层220以及与磁自由层130具有近似30％重叠的过孔240。例如，过孔可以包括近似0.5μm的直径而磁自由层130可以具有近似1.5μm的直径。给定在磁参考层130之间近似1.5μm的距离，图18所示的结构可以在两个方向上具有近似6.0μm的周期。

磁阻结构110-1、110-2可以通过电接触结构200并联耦合，以便形成第一组，同样地第三和第四磁阻结构110-3、1104并联耦合以形成第二组。两个组都可以如之前描述那样彼此串联耦合。

基于图18所示的构件，可以获得例如基于GMR的***的磁阻结构110，该磁阻结构具有近似3.5Ω的电阻值以及30％的重叠。给出了四个元件，在近似800μm x 50μm的布局中，可以如图19所示出的那样布置近似1111个。

图20示出了另一器件100的简化平面图或者，更确切地说，在此示出的示例中具有7.5μm x 6μm的周期的构件的简化平面图。该构件也包括与之前描述的磁阻结构具有相同距离和直径的四个磁阻结构110。再一次地，第一两个磁阻结构110-1、110-2与第三和第四磁阻结构110-3、110-4一样并联耦合，形成两组磁阻结构110，这两个组串联耦合。

然而，虽然在之前描述的示例中，电接触结构200以如下方式实施，使得过孔240直接接触磁自由层130，但是在此示出的实施方式中，过孔240用于电接触诸如金属线和更复杂结构的导电结构，该导电结构在顶部接触磁自由层130。换句话说，过孔240可以用于电接触沉积在磁阻结构110顶部上的导电结构400。因此，相比于之前描述的实施方式，沿着一个方向的侧向尺寸可以略大。

应该注意的是，虽然在之前描述的实施例中，磁自由层130总是被电接触结构200接触，在器件100的其它示例中，磁参考层140也可以电耦合到电接触结构200。自然地，在其它实施例中，单个磁阻结构110的磁自由层130和磁参考层140两者可以耦合。

在常规磁阻角度传感器中，传感器元件工作在饱和模式下。因此，外部旋转磁场的场强度通常足够高，使得传感器自由层能够克服材料固有的和几何定向的磁各向异性，以便实现高角度准确性。假设存在静态扰动磁场，磁化可以将外部场和扰动场的矢量和对准。因此，可以测量外部磁场的错误角度。由于传感器一般工作在饱和模式下，故通常不能给出关于平面内分量或者有效外部场强度的信息。在旋转场强度在20mT和70mT之间时，典型的扰动场近似为1.5mT。

图21示意性地示出了静态扰动场对于有效场矢量的影响。取决于外部旋转场的定向，扰动场增加或者减少外部场的角度。

为了进一步说明，图22示出了自由层磁化的偏差作为近似1.5mT的外部扰动场和25mT的旋转磁场的参考角度的函数，其中扰动场包括关于参考方向的-45°角。更确切地说，图22展示了有效场和外部旋转场在整个360°角度范围内的角度偏差。1.5mT的扰动场结合25mT的旋转磁场强度，引起自由层磁化近似3.4°的最大偏差。

如将要在下文更详细阐述的那样，可以检测静态扰动场的存在并且可以使用其方向和场强度的计算以便至少部分地补偿角度偏差。

通常，仅基于磁阻传感器，该问题的解决方案是未知的。通过集成二维或者三维磁场传感器(例如，通过实施霍尔传感器)可以直接测量磁场分量的强度。然而，实施该技术可能导致显著增加的实施工作量，因而，由于除了磁阻技术之外实施附加的技术，导致了更高的成本。基于磁阻结构，例如磁阻自旋阀型堆叠(其中自由层130呈现在特定磁场范围内的单磁涡旋或者相似的类涡旋结构或者任何闭合通量磁化图案)可以至少部分地补偿静态扰动场的影响。同时，参考层130或者***的磁化可以沿着某个方向或者轴均匀地(homogeneously)进行。

根据侧向尺寸、自由层厚度、自由层材料属性以及其它参数，自由层130的磁化将在零场处自发地形成单涡旋。换句话说，可以形成圆周平面内闭合通量磁化图案，该图案导致其总自由磁能的最小化。诸如涡旋的平面内闭合通量磁化图案的核心可以包括具有垂直于平面的磁化的区域。在有外部平面内磁场时，平行于外部磁场的磁化区域通过如上文阐述那样移动核心而增加。图10的左边部分示出了自由层在消失的外部磁场下(H＝0mT)的对应的鸟瞰图，其中核心在圆形结构的中心。根据图10的右边部分所示出的磁场强度，当施加x-方向的磁场时，在给出的示例中，核心上移。结果，沿着x-方向的涡旋的净磁化被改变，其可以通过自由层和对应参考层之间诸如GMR-效应或者TMR效应的磁阻效应检测到，其中该参考层具有均匀磁化或者具有对应均匀磁化的相似非闭合通量磁化图案或者关于某一方向的净磁化。

在有具有Hy-分量的磁场时，涡旋核心沿着x-方向或者轴移动。在有旋转磁场时，涡旋核心也执行旋转移动。由于没有针对形状各向异性的磁化区域的再磁化，通常仅有源于材料的本征各向异性影响自由层极化。因此，尤其在底旋转磁场下，对于具有单涡旋磁化自由层或者相似平面内闭合通量磁化图案的传感器，可以期望小的角度误差。

如之前所阐述的那样，为了实现这种自发涡旋磁化的典型的配置可以是碟盘形磁自由层130，该磁自由层具有在100nm和5000nm之间某处的直径以及在1nm和50nm之间的自由层厚度。

图12已经示出了类涡旋经磁化铁磁层的磁化Mx作为外部平面内磁场Hx的函数。如之前所讨论的那样，磁化Mx有宽线性变化。如果超出所谓的湮灭场Han，涡旋磁化被破坏，有助于沿外部场方向具有净磁化的c-或s-态磁化。

当磁场减少时，涡旋磁化在成核场Hn在下面通过时自发形成，其中，在此以及在本说明书的其它部分为了简化起见，省略了磁极化μ₀。如果其它磁力都是无效的，则该行为对于正磁场和负磁场可以是对称的。如果外部场保持在湮灭场之下，则转移特性基本上无磁滞。此外，根据诸如自由层的尺寸和膜厚度的几何结构，线性范围可以高达100mT甚至更高。

除常规高精度磁阻角度传感器之外，根据示例的器件100可以用于实施呈现了带有单涡旋或者相似磁化图案的自由层的角度传感器。假设外部旋转场强度在湮灭场之下，则涡旋传感器可以给出具有与外部有效磁场成比例的数量级的输出信号。在完全执行的***的情形下，产生的正弦和余弦惠斯通桥的经测量信号的矢量长度调制可以用于确定静态扰动磁场的方向和信号高度比。

例如，为了实施这种具有通过具有单磁涡旋或者相似磁化图案的自由层的扰动场抑制的轴上磁阻角度传感器，可以实施用于至少部分的扰动场抑制的如下步骤(例如，在上述电路160中)。在第一操作中，可以测量主、常规磁阻角度传感器的正弦和余弦惠斯通桥的输出信号Vsin和Vcos。在这些电压的基础上，可以使用例如正切关系或者执行例如查找表的相似技术计算原始角(raw angle)

在第二操作中，假设一温度具有对应的偏置温度Tc，可以测量具有涡旋或者相似磁化自由层的传感器的正弦和余弦惠斯通桥的输出信号Vsinvortex和Vcosvortex，以补偿该偏置。

在下一过程中，两个信号的所谓的矢量长度VL都基于等式(3)计算。

假设无附加扰动场，如果归一化数值Vsin和Vcos信号用于常规或者标准磁阻传感器桥和使用平面内闭合通量磁化图案(诸如涡旋或者类涡旋图案)的磁阻传感器桥中的任一个，则VL是常数并且例如等于1。假设有静态扰动场，例如在传感器的传感器信号使用平面内闭合通量磁化图案的情况下，矢量长度VL可以在所示出的旋转场的角度内跟随振荡行为(例如，在图23中给出，基于用于图22的示例状况)。

换句话说，图23示出了假设具有近似1.5mT的扰动场强度、25mT的旋转场强度以及关于参考方向的-45°角的静态扰动场的情况，作为外部旋转场的函数的矢量长度VL的从属关系。图23示出了归一化信号。调制的幅度近似为+/-6％，该幅度近似等于扰动磁场强度与旋转磁场强度的比率。

在下一过程中，可以计算矢量长度的正弦调制的幅度和相位。

假设应用从至少270°的角度范围递送数据，从矢量长度的正弦调制可以得到两个极值，允许根据用于使用平面内闭合通量磁化图案的传感器的等式(4)，从信号的幅度直接计算矢量长度。

作为角度的函数的矢量长度调制的相对信号摆动近似等于静态扰动场和旋转磁场强度的比率。然而，信号摆动的幅度独立于桥信号的绝对信号高度，因而独立于温度。此外，矢量长度最大值的角度位置可以近似等于静态扰动场的方向Ф_VL。

假设可获得来自小于270°的角度范围的传感器数据，可以基于FFT、数据的正弦拟合或者提取幅度A_VL和相位关联Ф_VL的相似技术，执行相同或者相似的计算。

在下一过程中，用于从原始数据计算得来的角度修正值可以根据等式(5)计算。

在下一过程中，新的、补偿的角度值可以根据等式(6)计算。

可选地，可以应用上述操作(用新的代替第一个)的重复以进一步改进补偿质量。

图24示出了在补偿之前近似-45°角处，近似1.5mT的扰动磁场和近似25mT的旋转磁场强度的角度误差。相似地，图25示出了已执行上述补偿步骤之后的角度误差。

图25示出了在执行了对上述在近似-45°角处的近似1.5mT的扰动磁场和近似25mT的旋转磁场强度的示例的补偿步骤之后的剩余角度误差。角度误差从例如图24所示的3.4％减少到近似0.1％。然而，补偿的质量可能受场强度的线性响应的质量影响。来自线性行为的偏差可能导致扰动磁场关于旋转磁场的比率的错误计算，因而可能导致较差的修正角度值。

图26示出了器件100的示意性框图，该器件包括四个不同的惠斯通桥410-1、410-2、410-3以及410-4。每个惠斯通桥410耦合在用于供应电压VDD的端子和用于地电势的端子之间。惠斯通桥410-1和410-3设计为响应于具有沿着第一方向的磁场分量的外部磁场，而惠斯通桥410-2和410-4设计为对具有沿着垂直于第一方向的第二方向的磁场分量的外部磁场敏感。例如，第一方向可以是y-方向，而垂直于第一方向的第二方向可以是x-方向。

惠斯通桥410-1、410-2基于磁阻结构110，该磁阻结构包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层130(未在图26中示出)，而对应的磁参考层140包括非闭合通量磁化图案。相比之下，第三和第四惠斯通桥410-3、410-4的磁阻结构是另一磁阻结构170，该另一磁阻结构包括另一磁自由层180(未在图26中示出)和另一磁参考层190，该另一磁自由层和另一磁参考层两者都具有非闭合通量磁化图案。换句话说，第一两个惠斯通桥410-1、410-2的磁阻结构110可以是基于涡旋基的磁阻结构110，而第三和第四惠斯通桥410-3、410-4的另一磁阻结构170可以是更常规的磁阻结构。

自然地，除了实施全惠斯通桥(每个桥包含四组磁阻结构110或者另一磁阻结构170，就反平行布置的磁参考层140或者另一磁参考层190而言，其中的两组包括净磁化)，也可以使用半桥(例如，和分压器或者其它半桥一起)。

换句话说，图26示出了器件100的示例，该器件包括例如标准磁阻角度传感器，结合工作在其线性范围的涡旋或者类涡旋磁阻角度传感器。除了具有单个涡旋磁化自由层的附加传感器，也可以实施在有平面内旋转磁场时递送信号输出的附加竖直霍尔传感器。在图26的左边部分，具有两个惠斯通全桥410-3、410-4(该两个惠斯通全桥响应于旋转磁场提供Vsin-输出信号和Vcos-输出信号)的标准磁阻角度传感器的示意性电路与具有单个涡旋磁化自由层的磁阻角度传感器(该磁阻角度传感器也包括在有图26的右边部分所示的相同旋转磁场时递送Vsinvortex-输出信号和Vcosvortex-输出信号的两个惠斯通全桥)耦合在一起。换句话说，图26示出了包括递送类正弦输出信号和类余弦输出信号的两个惠斯通全桥410-3、410-4的标准磁阻角度传感器的示意性电路的组合。图26中的大箭头表示参考***的参考层磁化方向。在每个全桥410中，该方向为反平行对准。在两个桥之间，参考方向彼此正交。相比之下，在图26所示的电路的右边部分上，示意性地示出了具有单个涡旋磁化自由层的角度传感器的电路。该电路也包括在有旋转磁场时分别递送Vsinvortex-输出信号和Vcosvortex-输出信号的两个惠斯通全桥410-1、410-2。然而，以如下方式设计器件100可能是明智的，即磁场不超出第一两个惠斯通桥410-1、410-2的磁阻传感器110的涡旋磁化的湮灭场Han。

最终，所描述的过程也可以结合仅霍尔解决方案或者另一单个传感器类型或者多个传感器类型实施方式来使用。

器件100(例如如图26所示的器件)基于标准磁阻角度传感器和附加角度传感器结构的组合，其呈现自由层的自发形成的单个涡旋磁化或者相似的平面内闭合通量磁化图案。在图26所示的示例中，磁阻结构全部基于GMR基技术。自然地，也可以使用其它磁阻技术以及其组合。

在相关磁场范围内，传感器信号可以假设为与外部场强度成比例。与具有恒定场强度的旋转磁场结合的静态扰动磁场可以导致正弦和余弦桥信号的矢量长度的调制。调制的信号摆动和相位可以允许确定静态扰动磁场的方向和/或强度。如上文所阐述，描述了步骤并且可以实施步骤以便计算改进的或者更接近真实的角度，而没有静态扰动磁场的影响。

这种实施方式可以例如包括与附加传感器结构结合的磁阻角度传感器，该附加传感器结构包括单个涡旋磁化自由层、自发形成的具有大于0mT的成核磁场的单个涡旋磁化自由层、以及沿着轴的单向均匀磁化的参考***或者另一非闭合通量磁化图案。换句话说，单向均匀磁化的参考***不具有涡旋磁化。这种磁阻角度传感器可以操作在CIP或者CPP配置下，并且包括例如在70mT和100mT之间的湮灭磁场。磁阻角度传感器可以包括在1nm和50nm之间的自由层厚度。其可以进一步包括在100nm和5μm之间的自由层结构尺寸。其可以包括诸如圆形、三角形、正方形或者其它多边形之类的非伸长自由层形状。

角度传感器可以与附加传感器结构结合操作，该附加传感器结构包括与外部场强度成比例的信号输出幅度。所描述的算法步骤可以评估矢量长度起源于静态扰动磁场的调制以便抑制扰动场对于角度计算的影响。自然地，器件100可以包括一个或者多个衬底120或者可以在一个或者多个对应裸片上实施。

根据实施例的器件可以改进制造、一个或者多个磁学量的准确性确定以及实施对应器件之间的折衷。

说明书和附图仅说明本发明的原理。因此，应该领会的是，本领域技术人员将能够设计体现本发明的原理并且包括在本发明的精神和范围之内的各种布置(虽然未明确描述或者示出)。因此，本文列举的所有示例主要旨在仅明示地用于教学目的，以便帮助读者理解本发明的原理以及由发明人贡献的用于促进现有技术的构思，并且应该解释为对这种特别列举的示例和状况无限制。此外，本发明中列举原理、方面、以及本发明实施例的所有陈述，以及本发明的具体示例，旨在包含其等效。

表示为“用于…的方法”(执行某种功能)的功能块应该被理解为包括分别适配为执行或者将执行某种功能的电子线路的功能块。因此，“用于某事的方法”也可以被理解为“适配或者适合用于某事的方法”。适配为执行某种功能的方法因此不暗示这种方法必须执行所述功能(在给定时刻)。

本文所描述的方法可以实施为软件，例如，执行为计算机程序。子处理器可以由这种程序通过例如写入存储器位置执行。相似地，可以通过从相同或者另一存储器位置读取，执行读取或者接收数据。存储器位置可以是寄存器或者为合适硬件的另一存储器。附图中所示的各种元件的功能(包括任何标注为“方法”、“用于形成的方法”、“用于确定的方法”等)可以通过使用诸如“成型器”、“确定器”等，以及能够与合适的软件联合执行软件的硬件之类的专用硬件提供。当有处理器提供时，这些功能可以有单个专用处理器提供、由单个共享处理器提供、或者由多个单独的处理器提供(其中的一些可以被共享)。此外，术语“处理器”或者“控制器”的明确使用应该被解释为排它地指代能够执行软件的硬件，并且可以暗示地(无限制地)包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、以及非易失性存储器。也可以包括其它硬件(常规和/或定制)。相似地，图中所示的任何开关仅是概念上的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的互动执行，随着从上下文中更详细地理解特定技术，实施者可以对其选择。

本领域技术人员应理解，本文的任何框图表示体现本发明原理的说明性电子线路的概念图。相似地，应该领会的是，任何流程图、流程表、状态转换表、伪代码、以及其相似物表示各种过程，这些过程可以基本上在计算机可读介质中表示并且因此可以被计算机或者处理器执行，无论这种计算机或者处理器是否明确示出。

此外，下文中的权利要求在此并入具体实施方式，其中每个权利要求独自作为单独的实施例。虽然每个权利要求可以独自作为单独的实施例，但是应该注意的是(虽然从属权利要求可以在权利要求书中指代具有一个或者多个其它权利要求的特定组合)其它实施例也可以包括具有每个其它从属权利要求的主旨的从属权利要求的组合。在此提出这种组合，除非陈述了特定组合不是所旨在的。此外，旨在同样将一个权利要求的特性包括到任何其它独立权利要求中，即使该权利要求没有直接从属于该独立权利要求。

应该进一步注意的是，说明书或者权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的每个相应步骤的工具的器件实施。

此外，应该理解的是，在说明书或者权利要求书中公开的多个步骤或者功能的公开不可以被解释为具有特定的顺序。因此，多个步骤或者功能的公开将不把这些限制为特定顺序，除非这种步骤或者功能由于技术原因是不可互换的。

此外，在一些实施例中，单个步骤可以包括或者拆分成多个子步骤。这种子步骤可以被包括并且可以是该单个步骤的部分公开，除非明确排除。

Claims

1.一种磁传感器器件，包括：

磁阻结构，包括具有自发生成的平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层，所述平面内闭合通量磁化图案的核心被配置为基于外部磁场在所述闭合通量磁化图案内在第一方向上偏移，其中所述外部磁场处于与所述第一方向垂直的第二方向上；以及

电接触结构，用于电接触所述磁阻结构，其中所述电接触结构包括与所述磁自由层的重叠，所述重叠最大为完全包括所述磁自由层的圆形的最小半径的30％。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述闭合通量磁化图案包括单个平面内闭合通量磁化图案。

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述闭合通量磁化图案至少部分地包括朗道图案、圆周图案以及涡旋图案中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的器件，其中所述非闭合通量磁化图案包括单轴磁化图案。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述电接触被布置为触碰所述磁自由层或者所述磁自由层的投影中的任一个或者被布置在所述磁自由层或者所述磁自由层的投影中的任一个的外部。

6.根据权利要求4所述的器件，进一步包括电接触结构，用于电接触所述磁阻结构，其中所述电接触结构被配置为使得流经所述磁阻结构的电流基本上平行于或者反平行于所述磁参考层的净磁化的方向。

7.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁阻结构包括各向异性磁阻结构、巨磁阻结构、穿隧磁阻结构和异常磁阻结构中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁自由层被配置为响应于具有小于成核磁场强度的所述外部磁场自发地形成所述平面内闭合通量磁化图案。

9.根据权利要求8所述的器件，其中所述成核磁场强度等于或者大于100μT。

10.根据权利要求1所述的器件，其中当外部磁场强度大于湮灭磁场强度时，所述磁自由层被配置为包括非闭合通量磁化图案。

11.根据权利要求10所述的器件，其中所述湮灭磁场强度为等于或者大于5mT以及等于或者小于100mT中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁自由层包括在所述磁自由层的平面中的非伸长形状。

13.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁自由层包括在磁自由层的平面内的在100nm到5μm的范围内的最大结构尺寸。

14.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁自由层包括在1nm到50nm的范围内的厚度。

15.根据权利要求1所述的器件，包括串联电耦合的多个磁阻结构。

16.根据权利要求1所述的器件，其中所述磁参考层包括合成的反铁磁结构，用于固定所述磁参考层的所述非闭合通量磁化图案。

17.根据权利要求1所述的器件，进一步包括电路，用于检测响应于施加的外部磁场的所述磁阻结构的电参数的变化。

18.一种磁传感器器件，包括：

磁阻结构，包括被配置为提供平面内闭合通量磁化图案的磁自由层并提供包括参考磁化图案的磁参考层，所述平面内闭合通量磁化图案的核心被配置为基于外部磁场在所述闭合通量磁化图案内在第一方向上偏移，其中所述外部磁场处于与所述第一方向垂直的第二方向上；

电接触结构，用于电接触所述磁阻结构，其中所述电接触结构包括与所述磁自由层的重叠，所述重叠最大为完全包括所述磁自由层的圆形的最小半径的30％；

另一磁阻结构，包括具有平面内非闭合通量磁化图案的另一磁自由层和包括另一参考磁化图案的另一磁参考层；以及

至少一个电路，用于检测响应于施加的外部磁场的所述磁阻结构的电参数的变化并且用于检测响应于所施加的外部磁场的所述另一磁阻结构的电参数的变化。

19.根据权利要求18所述的磁传感器器件，其中所述电路被进一步配置为基于所述磁阻结构的电响应和所述另一磁阻结构的电响应提供指示作用于所述磁自由层和所述另一磁自由层上的所述外部磁场的方向和所述外部磁场的强度中的至少一个的感测信号。

20.一种磁传感器器件，包括：

磁阻结构，包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层，所述平面内闭合通量磁化图案的核心被配置为基于外部磁场在所述闭合通量磁化图案内在第一方向上偏移，其中所述外部磁场处于与所述第一方向垂直的第二方向上，其中电接触结构被配置为以平面内电流配置将电流供给到所述磁阻结构中；以及

电接触结构，用于电接触所述磁阻结构，其中所述电接触结构被配置为使得流经所述磁阻结构的电流基本上平行于或者反平行于所述磁参考层的净磁化的方向。

21.一种磁传感器器件，包括：

磁阻结构，包括具有平面内闭合通量磁化图案的磁自由层和具有非闭合通量磁化图案的磁参考层，所述磁自由层包括由电绝缘层或者磁耦合层分离的至少两个铁磁层，所述闭合通量磁化图案的核心被配置为基于外部磁场在所述闭合通量磁化图案内在第一方向上偏移，其中所述外部磁场处于与所述第一方向垂直的第二方向上；以及

22.一种用于检测磁化的变化的方法，包括：

参照具有非闭合通量磁化图案的磁参考层，检测磁自由层中的自发形成的平面内闭合通量磁化图案的变化，所述闭合通量磁化图案的核心被配置为基于外部磁场在所述闭合通量磁化图案内在第一方向上偏移，其中所述外部磁场处于与所述第一方向垂直的第二方向上，

其中电接触所述磁自由层的电接触结构使得流经磁阻结构的电流基本上平行于或者反平行于所述磁参考层的净磁化的方向。

23.根据权利要求22所述的方法，其中检测变化包括：检测包括所述磁自由层和所述磁参考层的所述磁阻结构的电响应。