CN102331564B - 单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法，所述设计中 GMR 或 MTJ 磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向 采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使自由层 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 ；优选地采用集成于芯片上的片状永磁体对推挽全桥电阻的自由层磁矩进行辅助偏置。 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，输出稳定，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GMR、MTJ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全新的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桥式磁场传感器。

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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有一磁性自由层和磁性钉扎层；所述四个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或互补，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。

优选地，磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使磁性自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片全桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

优选地，所有的片状永磁体形状相同，片状永磁体充磁后的所形成的磁场方向使磁电阻元件的自由层磁矩指向其磁性易轴方向。

优选地，它还包括一集成设置在该单一芯片全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻元件的磁性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磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

优选地，通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将其磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向偏置。

优选地，通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用所述磁性层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单一芯片全桥磁场传感器；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单一芯片全桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片全桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片全桥磁场传感器；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单一芯片全桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用磁性层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单一芯片全桥磁场传感器；通过上述两种或多种方法的组合，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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有传感元件形成的磁性自由层和磁性钉扎层；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或互补。

 优选地，磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片半桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

优选地，所有的片状永磁体形状相同，并且其充磁后所形成的磁场方向与磁电阻元件的钉扎层的磁矩方向垂直。

优选地，它还包括一集成设置在该单一芯片半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磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

优选地，通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向偏置。

优选地，通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用所述磁性层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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片半桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；通过上述的两种或多种组合，将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。

本发明采用以上结构低成本高精度的在单一芯片上制得桥式磁场传感器。

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是传统的推挽式全桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。

附图5是单一芯片推挽式全桥磁场传感器中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互补时的工作原理示意图。

附图6是单一芯片推挽式全桥磁场传感器中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相同时的工作原理示意图。

附图7是单一芯片推挽式全桥磁场传感器中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互补时，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是单一芯片推挽式全桥磁场传感器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角相同时，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9所示，是采用形状各向异性对GMR、MTJ的磁性自由层磁矩进行偏置，并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辅助偏置的单一芯片推挽全桥示意图。

附图10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11所示，是推挽全桥磁场传感器的理论的输出特性曲线。

附图12所示，是一种单一芯片推挽半桥磁场传感器理论的输出特性曲线。

附图13所示，是一种推挽半桥磁场传感器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互补时的实施例。

附图14所示，是一种推挽半桥磁场传感器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相同时的实施例。

具体实施方式

下面结合附图1-14对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有一磁性自由层和磁性钉扎层；所述四个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或互补，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。

磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使磁性自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片全桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

所有的片状永磁体形状相同，片状永磁体充磁后的所形成的磁场方向使磁电阻元件的自由层磁矩指向其磁性易轴方向。

它还包括一集成设置在该单一芯片全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻元件的磁性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磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将其磁电阻元件的磁性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，并利用所述磁性层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单一芯片全桥磁场传感器；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单一芯片全桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片全桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片全桥磁场传感器；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单一芯片全桥磁场传感器；通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用磁性层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单一芯片全桥磁场传感器；通过上述两种或多种方法的组合，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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有传感元件形成的磁性自由层和磁性钉扎层；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或互补。

 磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片半桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

所有的片状永磁体形状相同，并且其充磁后所形成的磁场方向与磁电阻元件的钉扎层的磁矩方向垂直。

它还包括一集成设置在该单一芯片半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磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向偏置。

通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用所述磁性层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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片半桥磁场传感器；在该单一芯片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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；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单一芯片半桥磁场传感器；通过上述的两种或多种组合，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。

磁隧道结（MTJ）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，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。

图5和图7分别是单一芯片推挽式全桥磁场传感器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分别位于互补或相同时的工作原理示意图。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或互补，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4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，通常采用磁各向异性，可以将GMR或MTJ元件偏置到磁性异轴方向。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6和8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

理想情况下，其中初始值R1=R2>ΔR,则化简后可得

即实现推挽式全桥输出。

如图9所示，是采用形状各向异性对GMR或MTJ的磁性自由层磁矩进行偏置，并采用集成于芯片上的片状永磁体对推挽全桥电阻的自由层磁矩进行辅助偏置的单一芯片推挽全桥示意图。图中，四GMR或MTJ电阻41、42、43、44采用椭圆形状进行偏置，即利用元件的形状磁各向异性将其自由层磁矩方向41B、42B、43B、44B偏置到磁性易轴方向，即椭圆形元件的长轴方向。另外，采用集成于芯片上的片状永磁体对其进行辅助偏置，使四个GMR或MTJ元件的自由层磁矩沿磁性易轴指向外场方向。采用一沿方向57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，对于图5中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互补的单一芯片全桥磁场传感器，由片状永磁体对51、53产生的偏置磁场沿其轴线向右方向，片状永磁体充磁后其所产生的偏置方向与桥式磁电阻的钉扎层方向垂直。对于图6中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的单一芯片全桥磁场传感器，片状永磁体充磁后其所产生的偏置方向与桥式磁电阻的钉扎层方向平行。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进行辅助偏置，采用以上设计的单一芯片推挽全桥，由于采用了片状永磁体进行辅助偏置，因此，自由层磁矩方向稳定性更好，使得整个全桥的输出更加稳定。

如图10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。

全桥磁场传感器如图11所示，是推挽全桥磁场传感器的理论的输出特性曲线，从图中可以看出该输出结果具有良好的线性。

图12和13分别是推挽半桥磁场传感器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相同或互补时的示意图。该推挽半桥磁场传感器80由两个磁电阻组成，每个磁电阻由数量相同的一个或多个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将其自由层磁矩偏置到所需要的方向。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，都同推挽半桥磁场传感器的钉扎方向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或互补，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度或135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86，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指向所述的确定方向，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。

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 (12)

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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，其特征在于：

传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有一磁性自由层和磁性钉扎层；所述四个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或互补，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所述的单一芯片全桥磁场传感器，其特征在于：磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使磁性自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽全桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

3.如权利要求2所述的单一芯片全桥磁场传感器，其特征在于：所有的片状永磁体形状相同，片状永磁体充磁后的所形成的磁场方向使磁电阻元件的自由层磁矩指向其磁性易轴方向。

4.如权利要求1所述的单一芯片全桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该单一芯片全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻元件的磁性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所述的单一芯片全桥磁场传感器，其特征在于：通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将其磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向偏置。

6.如权利要求1所述的单一芯片全桥磁场传感器，其特征在于：通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用所述磁性层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包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，其特征在于：

传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有传感元件形成磁性自由层和磁性钉扎层；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或互补。

8.如权利要求7所述的单一芯片半桥磁场传感器，其特征在于：磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片半桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

9.如权利要求7所述的单一芯片半桥磁场传感器，其特征在于：所有的片状永磁体形状相同，片状永磁体充磁后的所形成的磁场方向使磁电阻元件的自由层磁矩指向其磁性易轴方向。

10.如权利要求7所述的单一芯片半桥磁场传感器，其特征在于：它还包括一集成设置在该单一芯片半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磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

11.如权利要求7所述的单一芯片半桥磁场传感器，其特征在于：通过磁电阻元件的磁性自由层与磁性钉扎层形成的奈耳耦合场将磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向偏置。

12.如权利要求7所述的单一芯片半桥磁场传感器，其特征在于：通过在磁性自由层沉积一磁性层，并利用所述磁性层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。

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