傳感器裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]實施例涉及傳感器裝置，或者更具體地涉及包括磁阻傳感器元件的傳感器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]磁阻效應(yīng)包括大量不同的物理現(xiàn)象，所有的這些物理現(xiàn)象的共同點是阻抗元件的電阻可被穿通阻抗元件的磁場的行為更改。利用磁阻效應(yīng)的技術(shù)有時被稱為“XMR技術(shù)”，其中X表示這里可以提出的效應(yīng)的多樣性。
[0003]一個示例是各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，其基于如下事實:在(納米)薄導(dǎo)電層中可通過更改外部磁場和層面內(nèi)電流的方向之間的角度來改變電阻。該效應(yīng)可通過歸因于磁場中的自旋取向并且因此引起導(dǎo)電電子的不同的散射截面而使原子軌道扭曲來解釋。
[0004]另一示例是巨磁阻(GMR)效應(yīng)，其可發(fā)生在包括被非鐵磁層分離的至少兩個鐵磁層的層的層堆中。如果兩個鐵磁層被磁化，可通過改變鐵磁層的磁化方向之間的角度來更改層堆的電阻，由此由依賴于電子的自旋取向的電子散射形成效應(yīng)。不同的磁化方向可通過將一個鐵磁層(釘扎層)釘扎(Pin)成基準磁化，而另一鐵磁層(自由層)的磁化可依賴于外部磁場來實現(xiàn)。
[0005]又一示例是穿隧磁阻(TMR)效應(yīng)，其可發(fā)生在包括被電絕緣層分離的至少兩個鐵磁層的(納米)薄層的層堆中。如果兩個鐵磁層被磁化，可通過改變鐵磁層的磁化方向之間的角度來更改層堆的電阻，由此由依賴于電子自旋的取向和磁場的取向的穿隧概率形成效應(yīng)。再次，不同的磁化方向可通過將一個鐵磁層(固定層)固定成基準磁化，而另一鐵磁層(自由層)的磁化可依賴于外部磁場來實現(xiàn)。
[0006]XMR效應(yīng)可應(yīng)用在各種場基傳感器中，例如用于測量轉(zhuǎn)數(shù)、角度等的傳感器。在一些應(yīng)用中，特別是在與安全有關(guān)的應(yīng)用中，需要這些傳感器可靠地并且高精度水平地操作。傳統(tǒng)方案包括以兩個獨立制造的傳感器為特征的冗余構(gòu)思，這在生產(chǎn)工作量和成本方面是昂貴的。傳統(tǒng)方案還包括僅具有有限性能的安全算法，其引起不能識別的錯誤。結(jié)果，XMR傳感器的價格隨著其功能性的安全特征顯著增加。
[0007]因此期望改進在XMR傳感器的可靠性、精度、生產(chǎn)工作量和成本之間的折衷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)一個方面，提供用于制造或提供傳感器裝置的方法。方法包括形成層堆。層堆包括在共同基板上的鐵磁層和非磁層。方法還包括將層堆分離成第一區(qū)段和第二區(qū)段。其中，第一磁阻傳感器元件由層堆的第一區(qū)段形成，第二磁阻傳感器元件由層堆的第二區(qū)段形成。
[0009]一個或多個實施例還涉及一種傳感器裝置。傳感器裝置包括層堆，層堆包括形成在共同基板上的至少鐵磁層和非磁層。傳感器裝置還包括至少第一磁阻傳感器元件，其由層堆的第一區(qū)段提供。第一磁阻傳感器元件這里被配置成生成第一信號。傳感器裝置還包括至少第二磁阻傳感器元件，其由層堆的第二區(qū)段提供。第二磁阻傳感器元件這里被配置成生成用于驗證第一信號的第二信號。
[0010]根據(jù)又一方面，實施例涉及一種傳感器裝置，其包括主磁阻傳感器元件，用于提供具有第一測量精度的主傳感器信號。傳感器裝置還包括副磁阻傳感器元件，用于提供具有第二測量精度、用以驗證主傳感器信號的驗證信號。其中第一測量精度高于第二測量精度
[0011]而且，一些實施例涉及用于操作包括層堆的磁阻傳感器的方法。層堆包括共同地形成在共同基板上的鐵磁層和非磁層。方法包括借助集成到層堆中的第一磁阻傳感器元件生成指示磁場條件的第一信號。方法還包括借助集成到層堆中的第二磁阻傳感器元件生成指示磁場條件的第二信號。此外，方法包括借助第二信號驗證第一信號。
【附圖說明】
[0012]下文將僅通過示例的方式并且參照【附圖說明】設(shè)備和/或方法的一些實施例，其中:
[0013]圖1圖示示出以兩個完全獨立的傳感器為特征的傳統(tǒng)架構(gòu)的流程圖；
[0014]圖2圖示示出以冗余構(gòu)思為特征的傳統(tǒng)架構(gòu)的框圖；
[0015]圖3a圖示示出根據(jù)傳統(tǒng)方案的矢量長度評估的圖；
[0016]圖3b圖示示出根據(jù)傳統(tǒng)方案的矢量長度評估的圖形；
[0017]圖4圖示示出根據(jù)實施例用于提供磁阻傳感器的方法的流程圖；
[0018]圖5圖示示出根據(jù)實施例用于提供磁阻傳感器的另一方法的流程圖；
[0019]圖6圖不可用于GMR傳感器的層堆的實施例；
[0020]圖6a圖示具有用于通過第二信號驗證第一信號的部件的傳感器裝置的框圖；[0021 ]圖7a圖示傳統(tǒng)GMR傳感器；
[0022]圖7b圖示兩個單片集成GMR傳感器的實施例；
[0023]圖8圖示示出對于不同GMR傳感器尺寸而言各向異性誤差和磁場強度之間的關(guān)系的圖；
[0024]圖9圖示示出對于不同GMR傳感器尺寸而言遲滯誤差和磁場強度之間的關(guān)系的圖；
[0025]圖10圖示單片集成多個XMR傳感器的實施例；
[0026]圖1la圖示具有單片集成XMR傳感器的傳感器裝置的實施例；
[0027]圖1lb圖示用于構(gòu)成傳感器裝置的AMR傳感器的電路布置；
[0028]圖1lc圖示用于構(gòu)成傳感器裝置的AMR傳感器的電路布置的示意圖；
[0029]圖1ld圖示用于構(gòu)成傳感器裝置的GMR傳感器的電路布置；
[0030]圖12a圖示兩個單片集成XMR傳感器的另一實施例；
[0031]圖12b圖示用于構(gòu)成傳感器裝置的AMR傳感器的電路布置的示意圖；
[0032]圖13圖示示出對于AMR傳感器而言角度誤差和磁場強度之間的關(guān)系的圖；
[0033]圖14圖示示出對于AMR傳感器而言角度誤差和從反平行的偏差之間的關(guān)系的圖；以及
[0034]圖15圖示示出根據(jù)實施例用于操作磁阻傳感器的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0035]現(xiàn)在將參照附圖更全面地說明各示例性實施例，附圖中圖示了一些示例性實施例。圖中，為了清楚起見，線、層和/或區(qū)域的厚度可以放大。
[0036]因此，盡管示例性實施例能夠采取各種修改和替代形式，附圖中通過示例的方式示出其實施例，并且這里將詳細說明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，沒有將示例性實施例限定為所公開的特定形式的意思，而是相反，示例性實施例旨在覆蓋落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代。貫穿附圖的說明，相同的附圖標記是指相同或相似的元件。
[0037]應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)元件被稱為“連接”或“耦合”到另一元件時，它可直接連接或耦合到另一元件或者可存在中間元件。相較之下，當(dāng)元件被稱為“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在中間元件。用于描述元件之間的關(guān)系的其它措辭可以以類似的方式解釋(例如，“在…之間”與“直接在…之間”、“相鄰”與“直接相鄰”等)。
[0038]這里使用的術(shù)語僅是用于描述特定實施例的目的并且不旨在限制示例性實施例。如這里所用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“一種”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地另外指明。還應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“包括”、“包含”在這里使用時表明存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或增加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。
[0039]除非另行定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與示例性實施例所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。還應(yīng)當(dāng)理解，例如在常用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)當(dāng)解釋為具有與在相關(guān)技術(shù)的語境中它們的含義一致的含義，并且不應(yīng)當(dāng)以理想化或過分正式的意義來解釋，除非這里明確地這樣定義。
[0040]功能性安全可代表用于當(dāng)前和未來產(chǎn)品(例如在汽車中)的清楚的區(qū)分者。為了實現(xiàn)在汽車安全完整性等級(ASIL)方面的對應(yīng)目標，必須建立新的改進的概念。為了實現(xiàn)專用的ASIL等級，不同目標參數(shù)(如故障時間(FIT)率、診斷覆蓋率(DC)、單點合攏矩陣(SPFM)、潛點合攏矩陣(LPFM)等)必須實現(xiàn)專用值。這種值可以例如為90%，表示給定錯誤被識別為這樣的概率為90%。DC、SPFM和LPFM均產(chǎn)生以百分數(shù)給定的值，由此計算的相應(yīng)方法相互不同。實現(xiàn)這些值的關(guān)鍵元素可以是“智能”冗余和多樣性。
[0041]實現(xiàn)ASIL相關(guān)目標的問題傳統(tǒng)地可以通過提供完全獨立的傳感器來解決。這種傳感器包括分離的和/或相互獨立地被制造的集成電路。這種架構(gòu)可允許實現(xiàn)期望的目標值(例如，超過90 %的診斷覆蓋率)，但是它可能代表昂貴的實現(xiàn)該目標的情形。圖1圖示示出以兩個完全獨立的傳感器為特征的傳統(tǒng)傳感器或測量架構(gòu)100的流程圖。每個分離的集成電路(IC) 110-1、110-2包括:傳感器120-1、120-2，用于檢測測量值并且響應(yīng)生成信號；處理部件130-1、130-2，用于處理信號，其中處理部件130-1、130-2可例如是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或放大器；以及接口 140-1、140-2，用于將經(jīng)處理的信號提供給電子控制單元(ECT) 150。傳統(tǒng)的傳感器或測量架構(gòu)100呈現(xiàn)兩個分離的集成電路110-1、110-2，其可以完全相互獨立地被生產(chǎn)或制造。
[0042]經(jīng)處理的信號可以被E⑶150接收，E⑶150可執(zhí)行真實性檢查。真實性檢查可例如包括比較經(jīng)處理的信號或者評估兩個信號之間的比值是否在預(yù)先給定的值范圍內(nèi)。然而，兩個分離的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)置可能是貴的并且需要大量的生產(chǎn)工作量。傳統(tǒng)架構(gòu)100還可能耗盡可用的安裝空間的大部分，當(dāng)例如用在大量電子部件被封裝在較小體積中的汽車或車輛中時，在電磁兼容性方面可能存在問題。換言之，電路塊的單純加倍可代表如下的可能性:可引起顯著的成本增加并且因此可能是不適合的或者效率低的。
[0043]而且，冗余可被引入到單個IC內(nèi)。圖2示出了根據(jù)傳統(tǒng)方法的傳感器架構(gòu)200，其可通過在單個IC基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)210中引入(智能)冗余并且在IC 210上考慮兩個獨立的感測元件而幫助實現(xiàn)上述目標參數(shù)(例如，F(xiàn)IT率、DC等)?！蔼毩ⅰ笨杀焕斫鉃橄嗷オ毩⒌乇恢圃臁C 210包括分別用于檢測第一和第二測量值并且響應(yīng)而生成第一和第二信號的第一傳感器220-1和第二傳感器220-2。第一和第二信號可被構(gòu)成IC 210的第一處理器230-1和第二處理器230-2分別處理，并且此后被集成控制單元250在真實性方面進行檢查?？刂茊卧?50可以就第一和第二信號是否相互對應(yīng)給出反饋，并且反饋可以分別被第一接口240-1和第二接口 240-2安全地轉(zhuǎn)送。然而，傳統(tǒng)地圖2的設(shè)置可能需要在兩個分離的步驟中制造兩個感測元件220-1、220-2，并且因此需要附加的工作量和成本。而且，由于它們各自的生產(chǎn)工藝和使用的材料的差異，兩個分離提供的感測元件220-1、220-2可能對待測量的物理量反應(yīng)不同，這可能導(dǎo)致額外的誤差。
[0044]此外，可引入另一信號處理和安全機制。專用安全機制可以旨在檢測從期望的傳感器信號的偏離，該偏離可以由IC的模擬或數(shù)字部分中的各種誤差引起。另一傳統(tǒng)的用于標識從實際角度值偏離的示例可以是矢量長度檢查。假定在使用GMR傳感器的情況下可由余弦信號X和正弦信號Y給出角度值，對于在0° -360°范圍內(nèi)的每個角度，信號X和Y理想地(換言之，不存在誤差)滿足圓方程x2+y2 = a2。值A(chǔ)是圓的半徑，半徑對應(yīng)于X和Y的最大可能幅度，其絕對值表示待檢查的矢量的長度。矢量長度的計算可以通過分別求和第一和第二信號值的平方并且提取求和的平方根來實現(xiàn)。
[0045]圖3a示出根據(jù)傳統(tǒng)方