CN102226836A - 单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单一芯片桥式磁场传感器的及其制备方法，该传感器包括四个磁电阻元件，所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。采用该设计可以在同一芯片上，一次直接生产出推挽桥式传感器。所公开的单一芯片桥式磁场传感器相对传统的设计具有，性能更好，工艺简单，成本更低的特点。

Description

单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及GMR、MTJ桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片的桥式磁场传感器，所述方法可以用于在单一磁性薄膜上制作半桥、全桥磁性传感器。
背景技术
磁性隧道结传感器（MTJ,Magnetic Tunel Junction）是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，Tunnel Magnetoresistance),主要表现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，它比之前所发现并实际应用的AMR(各向异性磁电阻效应)、具有更大的电阻变化率,同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性.MTJ磁性传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场测量器件,比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高、功耗更低、线性更好、动态范围更宽、温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。
推挽桥式传感器具有比单电阻、参考电阻桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。传统的推挽式桥式传感器要求相邻两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前制作推挽留桥式传感器的方法主要有：采用两次成膜工艺，分两次分别沉积钉扎层方向相反的MTJ元件，这使得其制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜。这使得前后两次成膜的一致性差，导致桥式传感器不同桥臂的电阻不相同，影响传感器的整体性能。
多芯片封装技术。通常从同一硅片或是不同硅片取两个一致性好的磁电阻，这两个磁电阻的敏感方向相同（钉扎层方向），然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180度进行多芯片封装，构成推挽式半桥。这样的结果是能够实现推挽式半桥的功能，即提高了检测灵敏度，具有温度补偿功能，但是另一方面多芯片封装，封装尺寸大，生产成本高；实际封装时不能严格的进行180度翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180度，使得两个电阻随外场变化的输出特性不相同，出现灵敏度不同，存在比较大的偏置电压等不对称问题，这样在实际应用中就会带来新的问题。
激光加热辅助磁畴局部翻转法。通常在硅片上制备GMR、MTJ全桥时，采用将GMR、MTJ硅片在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉扎层磁矩方向相同。之后采用激光对硅片进行局部加热辅助磁矩翻转，使得桥式传感器相邻桥臂的钉扎层磁矩方向相反，从而实现单一硅片的桥式传感器。但是激光加热辅助磁畴翻转的方法需要专用设备，设备昂贵，增加了工艺复杂度，同时激光加热所制得的桥式传感器，其各桥臂的电阻一致性也无法得到保证。
从以上可以看出，现有的单一芯片桥式传感器都存在整体性能无法保证，生产成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法，可以方便的在单一芯片上制备全桥磁场传感器和半桥磁场传感器。
为达到上述目的，本发明提供了一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。
本发明又提供了一种单一芯片半桥磁场传感器，包括两个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上，所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同；所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。
附图说明
附图1是磁隧道结（MTJ）的结构示意图。
附图2是理想的磁隧道结磁场电阻输出特性示意图。
附图3是在外加垂直于钉扎层方向的磁场作用下，自由层与钉扎层正向成不同角度时，自由层磁矩转动与电阻变化示意图。
附图4是采用在磁电阻元件上集成设置的片状永磁体对磁电阻元件的磁性自由层进行偏置示意图
附图5是传统的推挽式全桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。
附图6是一种单一芯片推挽式全桥磁场传感器的工作原理示意图。
附图7是外加一沿敏感方向的外磁场，各桥臂的电阻自由层磁矩转动示意图。
附图8是采用集成于芯片上的永磁片对推挽全桥的自由层磁矩进行偏置示意图。
附图9所示，是采用集成于芯片内的电流导线产生的磁场进行偏置的示意图。
附图10所示，是一种优选的推挽全桥磁场传感器实施方案示意图。
附图11所示，一种具体实施的单一芯片推挽全桥结构示意图。
附图12所示，是图11所示推挽全桥的输出特性。
附图13所示，是一种单一芯片推挽半桥磁场传感器原理图。
附图14所示，是一种推挽半桥磁场传感器的实施例。
附图15所示，是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。
附图16所示，是一种推挽半桥磁场传感器的实施例的局部结构放大示意图。
附图17所示，是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例的局部结构放大示意图。
具体实施方式
一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。
磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，特别地形状可以是椭圆，长方形，菱形。
它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的永磁体。
它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；在该全桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；在该全桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过上述方法中的一种或多种组合，将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。
一种单一芯片半桥磁场传感器，包括两个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上，所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同；所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。
磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，特别地形状可以是椭圆，长方形，菱形。
它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；在该半桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；在该半桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过上述方法中的一种或多种组合，将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。
如图1所示，磁隧道结（MTJ）的结构由纳米级多层膜组成：钉扎层1，磁性被钉扎层2，非磁性绝缘层3，磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁矩方向如5所示。磁性自由层4的磁矩方向如6所示。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。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。
隧道结磁阻效应（TMR）的工作原理，磁隧道结MTJ的磁阻随着磁性自由层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。由于磁性被钉扎层的磁矩方向被钉扎层钉扎到磁性钉扎层方向上，因此，实际上隧道结TMR的磁阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性钉扎层1的磁矩的夹角的变化而变化。
如图2所示，当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5平行时，同时外加磁场的强度大于H1时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，如8所示，这时隧道结TMR的磁阻最小。当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5反平行时，同时外加磁场的强度大于H2时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向反平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，如9所示，这时隧道结TMR的磁阻最大。H1与H2之间的磁场范围就是TMR的测量范围。
如图3所示，是当磁隧道结的自由层磁矩方向在外加磁场情况下磁电阻变化的情况。对于一个MTJ元件，其钉扎层磁矩方向21固定在一个确定的方向上，其磁性自由层在指向第一方向23、第二方向24时，外加一沿方向22的外加磁场，则指向第一方向23时，自由层磁矩沿旋转方向23A转向外场方向22；指向第二方向24时，自由层磁矩沿旋转方向24A转向外场方向。则对于第一方向23，其自由层磁矩方向与钉扎层磁矩21的指向夹角减小，磁电阻减小，如23B所示。对于第二方向24，其自由层磁矩方向与钉扎层磁矩21的指向夹角增大，磁电阻增大，如24B所示。如图4所示，可以采用集成于MTJ芯片上的永磁片对23C将MTJ元件的磁性自由层磁矩偏置到第一方向23，采用永磁片对24C将MTJ元件的磁性自由层磁矩偏置到第一方向24。同时可以改变永磁片对23C、永磁片对24C与钉扎层方向21的夹角θ，改变磁性自由层磁矩与钉扎层方向的角度。
如图5所示，是传统的推挽式全桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。分别由四个MTJ或GMR磁电阻组成，分别是第一电阻31R-、第二电阻32R+、第三电阻33R+、第四电阻34R-。其中第一电阻31R-与第四电阻34R-相对，其磁性钉扎层的第一磁矩方向31A和第四磁矩方向34A相平行；第二电阻32R+与第三电阻33R+相对，其钉扎层的第二磁矩方向32A与第三磁矩方向33A相同向平行；且第一电阻31R-的第一磁矩方向31A 与第二电阻32R+的第二磁矩方向32A相反向平行。在没有外加磁场的情况下，四个电阻31、32、33、34的自由层第一磁矩方向31B、第二磁矩方向32B、第三磁矩方向33B、第四磁矩方向34B磁矩方向指向同一方向，并与钉扎层磁矩方向垂直。随外加沿全桥MTJ或GMR敏感方向35的外磁场，相邻的两个桥臂的电阻分别变大或变小，相对的两个桥臂的两个电阻同时增大或减小，即构成一个推挽式全桥磁场传感器。从图中可以看出，四个电阻的磁性钉扎层磁矩方向不同，不便于采用单一芯片制成推挽全桥，只能采用多芯片封装或是激光局部加热辅助退火的方法制成单一芯片推挽全桥磁场传感器。
如图6所示，是一种单一芯片推挽式全桥磁场传感器的工作原理示意图。分别由四个MTJ或GMR磁电阻组成，分别是第一电阻41R1、第二电阻42R2、第三电阻43R2、第四电阻44R1。位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。作为一种最优的情况，特别地有四个电阻的钉扎层磁矩方向41A、42A、43A、44A相互平行，并指向同一个方向。其中第一电阻41R1与第四电阻44R1相对，其磁性自由层的第一磁矩方向41B和第四磁矩方向44B相平行，并与钉扎层第一方向41A、钉扎层第四方向44A的正方向成45度夹角；第二电阻42R2与第三电阻43R2相对，其自由层的第二磁矩方向42B与第三磁矩方向43B相同向平行，并与钉扎层第二方向42A、钉扎层第三方向43A的正方向成45度夹角；且第一电阻41R1的第一磁矩方向41B与第二电阻42R2的第二磁矩方向42B相互垂直。此全桥磁场传感器的钉扎方向45与4个电阻的钉扎层方向相同，其敏感方向46与钉扎方向45垂直。从图中可以看出，与图5传统的推挽式全桥不同，该单一芯片推挽全桥磁场传感器中四个电阻的磁性钉扎层磁矩方向不同，因此可以在单一芯片上，通过一次工艺直接形成推挽全桥磁场传感器，而不需要采用多芯片封装工艺，以及不需要进行激光加热局部辅助热退火。
所述GMR或MTJ元件，可以利用其本身的形状各向异性对其自由层磁矩进行偏置。通常的形状可以是椭圆形，长方形，菱形，以及其它形状。在各种形状当中，通常其长轴方向为形状各向异性易轴方向，也就是磁各向异性易轴方向。可以，通过调整其形状的长短轴比，改变其磁各向异性，进而改变其输入输出特性。如图7所示，在外加一沿敏感方向46的外磁场，则相邻的两个桥臂的第一电阻41、第二电阻42；第三电阻43、第4电阻44分别变大或变小，相对的两个桥臂的两个电阻同时增大或减小，即构成一个推挽式全桥磁场传感器。特别地，外加一沿敏感方向46正向的外磁场，则自由层第一方向41B、第二方向42B、第三方向43B、第四方向44B分别转到新的自由层第一方向41C、42C、43C、44C。相应的第一、第四电阻由R1变为R1+ΔR，第二、第三电阻分别由R2变为R2-ΔR。则输出为
Figure 201110084595X100002DEST_PATH_IMAGE001
理想情况下，其中初始值R1=R2>ΔR,则化简后可得
Figure 201110084595X100002DEST_PATH_IMAGE002
即实现推挽式全桥输出。
如图8所示，是采用集成于芯片上的片状永磁体对推挽全桥的自由层磁矩进行偏置示意图。采用一沿方向50的外磁场对芯片中的片状永磁体进行充磁，撤去外磁场后，则片状永磁体产生一沿磁体对轴线方向，即垂直于边界方向的磁场，并且其正负方向沿与充磁时外场方向夹角决定，其与充磁方向57的夹角小于90度。如图中所示，由片状永磁体对51、53产生的偏置磁场沿其轴线向右方向。使第三电阻43的自由层偏置到正确的方向。同样，片状永磁体对51、52；54、56；55、56分别对第一电阻41，第二电阻42，第四电阻44进行偏置。
如图9所示，是采用集成于芯片内的电流导线产生的磁场进行偏置的示意图。电流导线57、58、59位于需要偏置的电阻的正上方，并与需要偏置的方向垂直，则在Bias和Gnd之间加一偏置电流，则电流产生的磁场使电阻的自由层磁矩偏置到预置的方向上。对自由层磁矩的偏置方法，还可以是通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向时行偏置。或是
通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。
如图10所示，是一种优选的推挽全桥磁场传感器实施方案示意图。由四个磁电阻（41、42、43、44）组成一推挽式全桥，其中钉扎钉扎方向45竖直向上，敏感方向46水平，永磁体的充磁方向57水平向右。四个磁电阻的自由层为椭圆形，其自由层磁矩在没有外加偏置场的情况下沿磁性易轴方向，即椭圆的长轴方向。在构成全桥的磁电阻两边，分别放置集成于芯片内的片状永磁体对（61、62、63、64）。片状永磁体相对的那一条边，可以设计成不同的形状，使其相对垂直方向有一倾斜的角度θ，调整该θ角可以改变电阻的自由层磁矩的方向。以调整传感器的性能，通常的θ角在30度～60度之间，其中以45度时构成的全桥磁场传感器性能最好。通常可以改变全桥磁场传感器钉扎层方向45，片状永磁体充磁方向67，以及四个电阻的磁性易轴方向的相对指向，来调整其响应方式。通常，可以通过以下三种方法来调整传感器响应方式：
改变传感器电阻的磁性自由层的形状，可以改变其各向异性，以及调整传感器的易轴方向，即对于椭圆形状的长轴方向，对于长方形的长边方向。
改变传感器的片状永磁体的初始化充磁方向65。
改变片状永磁体对的材料和厚度，使其对电阻产生大小不同的偏置磁场，以调整其饱和场。
如图11所示，是单一芯片推挽全桥传感哭器的一种具体实施的结构示意图。传感器的钉扎方向45，敏感方向46工。其中组成推挽全桥的每一个电阻由一串磁隧道结敏感元件串联而成。每一磁隧道结元件采用椭圆形状，并且采用片状永磁体进行偏置。并且芯片的焊盘65设置成可以连接多条引线，焊盘可以通过引线连接到封装引线框和/或ASIC集成电路上。如图12所示，是如图11所示的推挽全桥结构的最终输出特性。
如图13所示，是推挽半桥磁场传感器示意图。该推挽半桥磁场传感器80由两个磁电阻组成，每个磁电阻由一个或多个GMR或MTJ元件串联组成，每个元件可以做成椭圆形或长方形，菱形，以利用其形状各向异性。其中第一电阻81R1，与第二电阻83R2的钉扎层磁矩第一方向81A、第二方向83A相同，都同钉扎方向85相同，第一电阻81R1，与第二电阻83R2的自由层磁矩第一方向81B、第二方向83B与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，并且第一方向81B与第二方向83B方向不同，最优情况下自由层磁矩第一方向81B与钉扎层磁矩第一方向81A的夹角为45度，自由层磁矩第二方向83B与钉扎层磁矩第一方向83A的夹角为45度。在Bias和GND之间加一偏置电压，当外加一沿敏感方向86的外磁场时，第一电阻81R1增大，第二电阻83R2减小，使输出Vo变小，即构成一推挽半桥磁场传感器。
如图14所示，是一种推挽半桥磁场传感器的实施例。图中采用集成于芯片上的片状永磁体对，对第一电阻81R1和第二电阻83R2进行偏置，使其自由层磁矩第一方向81B和第二方向83B指向确定的方向。两个电阻的钉扎层方向竖直向上，磁电阻元件的磁性易轴方向向上，片状永磁体对产生的偏置磁场方向水平向右，则敏感方向水平。
如图15所示，是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。图中采用集成于芯片上的片状永磁体对，对第一电阻81R1和第二电阻83R2进行偏置，使其自由层磁矩第一方向81B和第二方向83B指向确定的方向。两个电阻的钉扎层方向竖直向上，磁电阻元件的磁性易轴方向竖直向上，片状永磁体对产生的偏置磁场充磁方向竖直向上，则敏感方向为水平。
以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。

Claims (24)

1.一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，其特征在于：传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。
2.如权利要求1所述的全桥磁场传感器，其特征在于：磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，特别地形状可以是椭圆，长方形，菱形。
3.如权利要求1所述的全桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的永磁体。
4.如权利要求1所述的全桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
5.如权利要求1所述的全桥磁场传感器，其特征在于：通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
6.如权利要求1所述的全桥磁场传感器，其特征在于：通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
7.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状。
8.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；在该全桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
9.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；在该全桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
10.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
11.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
12.一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；通过权利要求8-12方法中的一种或多种组合，将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。
13.一种单一芯片半桥磁场传感器，包括两个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，其特征在于：传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同；所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。
14.如权利要求13所述的半桥磁场传感器，其特征在于：磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，特别地形状可以是椭圆，长方形，菱形。
15.如权利要求13所述的半桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
16.如权利要求13所述的半桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
17.如权利要求13所述的半桥磁场传感器，其特征在于：通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
18.如权利要求13所述的半桥磁场传感器，其特征在于：通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
19.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状。
20.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；在该半桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。
21.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；在该半桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。
22.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
23.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。
24.一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法，其特征在于：
将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成两个磁电阻元件，将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感器；通过权利要求19-23方法中的一种或多种组合，将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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