CN102621504B - 单片参考全桥磁场传感器 - Google Patents

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    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Abstract

本发明公开了一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器是一种由磁电阻参考元件和传感元件组成的惠斯通全桥，感应臂和参考臂都是采用磁隧道结电阻或巨磁电阻材料。在本发明中，传感元件和参考元件的灵敏度是通过控制一个或一组磁偏置组合，交换偏置，磁屏蔽或形状各向异性能来进行调节的。此外，还可以通过预先设定调整参考元件和传感元件的阻值比来优化电桥输出偏移和对称性。通过使用该技术，该磁场传感器展现出了卓越的温度稳定性，低偏移电压以及优异的电压对称性。

Description

单片参考全桥磁场传感器
技术领域
该发明涉及一种磁场探测用的传感器，尤其为一种单片参考全桥磁场传感器。
背景技术
磁场传感器在现代系统中被广泛用于测量和探测物理量，其中包括但不限于磁场强度、电流、位置、动力、方向等参数的测量。虽然目前有很多种传感器对磁场和其他物理参数进行测量，但是这些技术都有其局限性，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，制造成本高，稳定性差以及其他缺点。因此，不断改善磁性传感器，尤其是易与半导体器件和集成电路集成的传感器，以及其制造方法是一种持续的需求。
磁隧道结传感器具有高灵敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ或GMR与半导体标准制造工艺相兼容，但是高灵敏度的MTJ或GMR传感器并没有实现低成本大规模生产。特别是传感器的成品率取决于MTJ或GMR元件磁阻输出的偏移值，组成电桥的MTJ或GMR元件的磁阻输出很难达到匹配度一致。
发明内容
本发明的目的是提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器可以通过设置磁阻元件的偏置场和敏感方向的角度来优化其线性度。
为达到上述目的，本发明提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一设置在所述参考臂和所述感应臂周边的用于调整该磁场传感器自身的磁化强度和敏感方向的角度的磁体；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
本发明又提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
本发明又提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
本发明又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
本发明又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
本发明又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
通过使用该技术，单片参考全桥磁场传感器展现出了温度稳定性，低偏移电压以及优异的电压对称性，所述单片磁传感电桥可以用标准的半导体制造工艺轻易制造。
附图说明
图1是磁化方向为难轴的参考层自旋阀传感元件的磁电阻输出示意图。
图2是采用磁阻元件的参考全桥结构示意图。
图3是参考全桥的感应臂和参考臂的输出曲线图。
图4是参考全桥电路的输出曲线图。
图5是参考臂和感应臂的磁电阻阻值比和偏移值的函数图，其中列举了不同磁电阻变化率从50%到200%的偏移曲线图。
图6是参考臂和感应臂的阻值比和对称性的函数图，其中列举了不同磁电阻变化率从50%到200%的对称性曲线图。
图7是MTJ元件的偏置永磁体摆放位置示意图。
图8是图7所示的永磁体和MTJ或GMR元件的截面图，图中描绘了一组偏置磁体的磁感线分布图。
图9描绘了通过设置永磁体和敏感方向的夹角来控制MTJ元件输出的偏移和饱和场强度。
图10是一组磁体中心区域场强的函数图，该场强取决于磁体宽度和磁体间的间隙。
图11是将多个MTJ或GMR元件合并为一个磁电阻元件的方法的连接示意图。
图12是传感芯片的布局图，利用倾斜摆放磁体去设置参考臂和感应臂的偏置点进而优化电桥输出曲线。
图13是使用偏置磁体以及参考臂和感应臂的MTJ或GMR元件平行排列的布局图，如图所示在参考元件外设置屏蔽层以增加电桥电路灵敏度。
图14是使用偏置磁体以及参考臂和感应臂的MTJ或GMR元件垂直排列的布局图。
图15是沿着椭圆形MTJ或GMR元件的长轴和短轴方向的饱和场的测量结果，沿着短轴方向有一个偏置场。
具体实施方式
图1是作线性磁场探测用的GMR或MTJ磁传感元件的输出曲线的一般形式。如图1所示，输出曲线在低阻态1和高阻态2饱和，RL和RH分别代表低阻态和高阻态的阻值。在达到饱和之前，输出曲线线性依赖于外加场H，输出曲线不一定是关于H=0的点对称的。H0是饱和场5和6之间的典型偏移，这使得RL的饱和值更接近H=0。H0值通常被称作“桔子皮效应（Orange Peel）”或“奈尔耦合（Neel Coupling）”，其典型值通常在1到25Oe之间，和MTJ或GMR磁性薄膜的结构和平整度相关，依赖于材料和制备工艺。
在饱和场5和6之间，如图1所示的输出曲线方程近似为：
Figure 490220DEST_PATH_IMAGE001
                          (1)
图2是惠斯通参考电桥中传感元件的连接方式。如图所示，两个传感元件元件20、21的输出曲线强烈依赖于外加磁场，两个参考元件元件22、23对外场的感应很弱。此外，布局在基板上的传感元件需要偏置电压（Vbias，24）和接地（GND，25）两个接触点和两个半桥中心触点（V1，26，V2，7）。中心触点的电压为：
                             (2)
                            (3)
惠斯通参考电桥的输出为：
Figure 346498DEST_PATH_IMAGE003
                                   (4)      
传感元件Rsns（30）和参考元件Rref（31）的输出曲线如图3所示。其中Rref的饱和场为
Figure 681664DEST_PATH_IMAGE004
=130 Oe，Rsns的饱和场为
Figure 846804DEST_PATH_IMAGE005
=35 Oe。同时传感元件和参考元件的输出曲线的中点并不在磁场为零的区域，其偏移范围为Rsns的
Figure 925618DEST_PATH_IMAGE006
=8 Oe，Rref的
Figure 361279DEST_PATH_IMAGE007
=25 Oe。尽管具有偏移值，但是惠斯通电桥的输出曲线40仍然具有很好的线性度和中心对称性，如图4所示。
在理想情况下，当
Figure 132926DEST_PATH_IMAGE008
，且H < 
Figure 21247DEST_PATH_IMAGE005
时，电桥输出为：
Figure 903753DEST_PATH_IMAGE009
                      (5)
电桥输出曲线随外场变化呈线性，需要满足：
Figure 193920DEST_PATH_IMAGE010
                             (6)
其中，“<<”代表一个数量级：
Figure 575616DEST_PATH_IMAGE011
                        (7)
实际上，足够宽的线性区域就可以制造很好的线性传感器。对于磁阻式传感器来说，需要满足DR/R
Figure 13551DEST_PATH_IMAGE012
以及
Figure 371851DEST_PATH_IMAGE013
130Oe>>
Figure 844420DEST_PATH_IMAGE014
。该磁场感应的线性范围需要遵从：
                                        (8)
该装置作为一个没有校正的线性传感器，利用上述典型值，可以提供一个约2.5倍的线性工作范围，大于一般所需的工作范围。
参考全桥作为磁阻传感器因为其独特的性质其应用将越来越广泛。图4也显示了参考电桥的输出曲线41沿着磁场方向具有偏移且输出电压关于Y轴不对称。这种非理想状态性质在使用高磁阻变化率的磁电阻元件的参考全桥传感器中占有很大比例。
为了更好的描述非理想状态输出，有助于提供优化参考电桥输出的方法，需要定义一个偏移补偿，这样有益于量化输出电压的不对称性。曲线44上可以清楚地看出电桥输出偏移（OFFSET）。如图4所示，可以通过利用最大和最小的输出电压值V-(43)和V+ (42)来定义不对称性（ASYM）：
Figure 820784DEST_PATH_IMAGE016
                                  (10)
如图5所示，电桥传感器的偏移值是关于参考臂和感应臂的阻值比的函数，图中列举了不同电阻变化率下的曲线图，该图是在
Figure 982775DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 44272DEST_PATH_IMAGE007
= 0 Oe的理想状态下绘制的。尽管参考元件和传感元件输出曲线可以中心化，但是电桥输出的偏移依然随着参考元件和传感元件的阻值比进行改变。
图6是电桥传感器在相同状态下输出电压的对称性函数图。同样的，尽管参考元件和传感元件输出曲线可以中心化，但是电桥输出会随着参考元件和传感元件的阻值比呈现出巨大的不对称性。因此，实际上输出曲线的中心化不一定是偏移的最小值，这取决于不同传感元件和参考元件阻值的阻值比。
理想的参考桥式传感器由不同饱和场的参考元件和传感元件构成，参考元件和传感元件的阻值设置为一个预设的比例，这一比例可能不是1，同时偏置磁场可以用来调整传感元件相对于参考元件的响应。
一个电桥传感器首先必须能够设置传感元件和参考元件的相关灵敏度。磁阻元件的灵敏度是阻值随外加磁场变化的函数。具体来说是：
Figure 764841DEST_PATH_IMAGE017
                                         (11)
改变参考元件和传感元件的DR/R是不实际的，因此可以通过改变Hs来改变灵敏度。这种方法可以通过几种不同技术的结合来实现。
屏蔽层——将高磁导率的铁磁层沉积在参考元件的顶部，以降低外加场强。
形状各项异性能——由于参考元件和MTJ传感元件具有不同的尺寸因此具有不同的形状各向异性能。最普遍的做法是使参考元件的长轴长度大于传感元件的长轴长度，短轴长度小于传感元件的短轴长度，因此参考元件平行于敏感方向的退磁效应要远大于传感元件。
交换偏置——该技术是通过磁隧道结自由层和相邻的反铁磁或永磁层的交换耦合建立一个有效的垂直于敏感方向的外场。可以在自由层和交换偏置层间设置Cu或Ta的隔离层来降低交换偏置强度。多层膜结构分述如下：
种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/隔离层/反铁磁层2/保护层
种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/隔离层/磁偏置层/保护层
种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/反铁磁层2/保护层
种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/磁偏置层/保护层
其中，反铁磁层1（AF1）和反铁磁层2（AF2）采用反铁磁材料，例如PtMn、IrMn、FeMn。铁磁层采用一些具有代表性的由铁磁合金构成的铁磁薄膜或多层膜，包括但不限于NiFe、CoFeB、CoFe以及NiFeCo。绝缘层可以是任何能够自旋极化的绝缘材料，例如Al2O3或MgO。隔离层通常是采用Ta、Ru或Cu这种非铁磁材料的薄膜。不同反铁磁层的AF2的反铁磁阻隔温度（Blocking Temperature）要低于AF2，使得铁磁层/Ru/铁磁层结构的钉扎层的偏置场和自由层的偏置场呈正交垂直。
散场偏置——在该技术中，Fe、Co、Cr以及Pt的合金永磁材料沉积在传感元件表面或MTJ栈上，用来提供一个散磁场给MTJ元件的输出曲线造成偏置。永磁偏置的优点在于永磁偏置磁体可以在电桥形成后初始化一个大磁场。另外一个非常重要的优势是偏置场可以被用来消除MTJ元件的磁畴从而稳定和线性化MTJ或GMR元件的输出。该设计的巨大优点在于其在设计调整上具有很大的灵活性。下面的多层膜系列设计是可以实现的：
种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/厚隔离层/磁偏置层/保护层。
如图9所示，当使用交叉偏置场设定MTJ或GMR元件的灵敏度时，交叉偏置场中的Hcross和Hs存在以下关系：
Figure 177368DEST_PATH_IMAGE018
                                      (12)
其中Ks是自由层的形状各项异性，Ms是自由层的饱和磁化强度。因此，灵敏度反比于Hcross，为：
                                  (13)
一个提供Hcross的首选办法如图7所示。磁电阻传感器安置在两个永磁体71之间。永磁体具有宽度（W）73，厚度（t）74，长度（Ly）75以及永磁体之间的间隙（Gap）72这四个参数。永磁体被设计为提供一个垂直于电桥传感器敏感轴76的交叉偏置场。通过施加一个大磁场初始化磁体，因此其磁场77垂直于电桥传感器的敏感方向76。最终永磁体71周围的磁场分布80如图8所示。
永磁体的磁场被认为是在如图9所示的磁体的边缘90和91形成的虚拟磁荷和磁化边界条件作用的结果。磁荷大小随着剩磁Mr的大小和方向qmag92进行变化，并且与永磁体的倾斜角（“qref”或“qsns”）相关：
或
Figure 143049DEST_PATH_IMAGE019
                                  (14)
虚拟磁荷产生的磁场为：
Figure 324632DEST_PATH_IMAGE020
                                (15)
当qmag = qref 或 qref = π/2时，MTJ元件的中心磁场强度为剩磁Mr的函数：
Figure 514305DEST_PATH_IMAGE021
(16)
公式16是图10所示的W13和gap72的函数，该函数表示参考元件和传感元件的饱和场可以通过改变磁体71的形状维度相互影响而改变。使用相同的MTJ元件栈、MTJ三维尺寸以及永磁体薄膜在参考元件和传感元件上，在不同的Hcross100和101的作用下，参考元件的饱和场是传感元件的6.5倍。这个比值对于参考电桥来说是足够的，而且通过适当的设计可以将这个比值增加到10。
图9表明了通过设置磁体和敏感方向的夹角，可以同时产生Hcross95和偏移场Hoff96，是为了设定MTJ或GMR元件的饱和场，另外使MTJ元件的输出曲线归零，该方法是为了优化电桥输出的对称性、偏移和灵敏度。此外，设置剩磁Mr和敏感方向的夹角92是为了在传感芯片制备以后，可以提供一个微调装置能够最小化偏移值或对称性，这种方法可以提高产品优率。
因为尺寸很小，MTJ或GMR元件可以串联起来以增加灵敏度，减小1/F的噪音，同时改善如图11所示的抗静电能力。MTJ元件110是基底111和上电极112之间的三明治结构的薄膜，同时电流113是垂直流过MTJ元件110的上电极和基底间的导电层。在参考臂和感应臂上保持MTJ或GMR元件的尺寸相同的优点在于这样可以使器件在制备过程中对刻蚀偏置不敏感，这些串联的MTJ或GMR元件的另一个优点在于，每个串联组合的元件数量是可以改变的，以设置参考元件和传感元件间的最优电阻比。
图12是采用不同宽度的倾斜磁体和不同传感元件间距的标准芯片布局，以制备最优的参考全桥传感器。在该设计中，串联的MTJ或GMR元件位于永磁体之间，这些永磁体位于参考臂122、123以及感应臂124、125之间呈一定角度倾斜。通过优化可以实现参考元件和传感元件偏移的归零化，该磁场传感器可以预先设置参考臂和感应臂的磁电阻元件个数以调节所述参考臂和所述感应臂的阻值，从而调节其阻值比。
因为构成参考臂磁电阻元件和构成感应臂磁电阻元件是由磁电阻元件串联而成，每个磁电阻元件的阻值是一定的，串联的数量决定其阻值，或者仅仅是将参考臂和感应臂偏移。因此，所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件以调节。如公式(4)所示，通过设置相关的桥臂偏移，电桥输出可以中心化而且可以达到相对的对称，如下式所示：
Figure 351811DEST_PATH_IMAGE022
                                      (17)
当qref =π/2，qsns在π/4和π/2之间时可以成立。
如图13所示是另一种不同的参考全桥设计，该设计设置了屏蔽层131、132以及不同的偏置磁体134、135，用来设置参考臂和感应臂的饱和场。屏蔽层和窄宽度的磁体用来降低参考臂的灵敏度，相比于单独使用屏蔽层或者磁偏置可以降低10倍。一般来说屏蔽磁场最好的材料是高磁导率的铁磁材料。参考臂和感应臂的灵敏度差异可以通过其他的偏置方式大大增加，例如改变交换耦合或者形状各项异性能。通过将感应臂元件置于高磁导率的铁磁材料的间隙，可以对外场有聚磁作用，从而提高其灵敏度。
图14展示了另一种用来构建高灵敏度传感器的可以改变的芯片布局，通过利用形状各向异性能和磁偏置场的矢量和来构建一个低的
Figure 917922DEST_PATH_IMAGE023
。传感元件141、142与参考元件143、144呈90度角排列。在感应臂上设计磁体是为了使MTJ或GMR元件在垂直敏感方向上达到饱和。沿着敏感方向145的偏置场用来使传感元件的磁化强度沿敏感方向145成比例倾斜。
图15是沿着椭圆形MTJ或GMR元件的长轴（6nm）和短轴（2nm）的饱和场的测量结果，沿着短轴有一个交叉偏置场。151和152是自由层厚度分别为8nm和16nm的曲线。通过合适的设计，可以在一个狭窄的场强范围内制造高灵敏度的线性传感器。
本发明的第一实施例中，一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一设置在所述参考臂和所述感应臂周边的用于调整该磁场传感器自身的磁化强度和敏感方向的角度的磁体；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，该参考臂和感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料，其目的是降低参考元件的磁场从而增加电桥传感器的灵敏度。该磁场传感器设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
本发明的第二实施例中，一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，所述参考臂和所述感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料，其目的是降低参考元件的磁场从而增加电桥传感器的灵敏度。该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
本发明的第三实施例，一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
本发明的第四实施例，一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长。该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料，其目的是降低参考元件的磁场从而增加电桥传感器的灵敏度。该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
本发明的第五实施例中，一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料，其目的是降低参考元件的磁场从而增加电桥传感器的灵敏度。该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
本发明的第六实施例中，一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
优选地，该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料对外场起聚磁作用，以增加外场对传感元件的作用，从而增加磁场传感器的灵敏度。
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 (22)

1.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一设置在所述参考臂和所述感应臂周边的用于调整该磁场传感器自身的磁化强度和敏感方向的角度的磁体；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
2.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于：所述参考臂和所述感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。 
3.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于：所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。 
4.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于：所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长。 
5.如权利要求1或4所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。 
6.如权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
7.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
8.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于：所述参考臂和所述感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。 
9.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于：所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。 
10.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。 
11.如权利要求10所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括设置在所述构成 感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
12.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上； 
所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。 
13.如权利要求12所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
14.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
15.如权利要求14所述的磁场传感器，其特征在于：所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长。 
16.如权利要求15所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。 
17.如权利要求16所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
18.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接 到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
19.如权利要求18所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。 
20.如权利要求19所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
21.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
22.如权利要求21所述的磁场传感器，其特征在于：该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。 
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