CN108387852B - 单、双轴磁场传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种单、双轴磁场传感器及其制备方法。该单磁场传感器包括：位于衬底上的第一全桥电路，第一全桥电路包括两个第一、第二磁阻模块，两个第一磁阻模块分别位于第一全桥电路一对相对桥臂上，两个第二磁阻模块分别位于第一全桥电路另一对相对桥臂上；第一磁阻模块的参考层磁化方向与自由层磁化方向垂直、两个第一磁阻模块的参考层磁化方向相同；第二磁阻模块的参考层磁化方向与自由层磁化方向垂直、两个第二磁阻模块的参考层磁化方向相同；第一磁阻模块的参考层磁化方向与第二磁阻模块的参考层磁化方向夹角为A，0<A<180°。本发明提供的技术方案具有工艺简单、制造成本低等优点，并且能提高产品成品率，满足大规模生产需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单、双轴磁场传感器及其制备方法。
背景技术
目前，磁场传感器已开发应用于电子罗盘等领域。通常，磁场传感器每个传感轴对应有两个相反的钉扎方向。
现有技术中，由于难以在一个芯片上制备得到两个相反的钉扎方向，通常采用多芯片拼接的方式得到磁场传感器。而多芯片在拼接时很难避免机械误差，这就导致成品灵敏度低、成品率低，难以满足大规模生产的需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种单轴、双轴磁场传感器及其制备方法，目的在于提高产品灵敏度以及成品率。
为了解决上述技术问题，本发明一些实施例提供了一种单轴磁场传感器，该单轴磁场传感器，包括：
衬底；
位于所述衬底上的第一全桥电路，所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
可选地，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
可选地，两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
可选地，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
可选地，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
本发明又一些实施例提供了一种双轴磁场传感器，该双轴磁场传感器，包括：
衬底；
位于在所述衬底上的第一全桥电路和第一半桥电路；
所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
所述第一半桥电路包括两个第三磁阻模块和两个第一固定电阻；两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
可选地，所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
可选地，两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向相同。
可选地，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
可选地，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
可选地，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
可选地，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
本发明又一些实施例提供了一种单轴磁场传感器的制备方法，该制备方法，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块和两个第二堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且第一堆叠块与第二堆叠块相邻设置；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
可选地，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却，包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述单轴磁场传感器的传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
可选地，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
可选地，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
可选地，所述加热温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
可选地，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
可选地，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
可选地，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
本发明又一些实施例提供了一种双轴磁场传感器的制备方法。该制备方法包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块、两个第二堆叠块和两个第三堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置，两个所述第三堆叠块相对设置；
在所述衬底上制备两个第一固定电阻和导线，两个所述第一固定电阻相对设置、且所述第一固定电阻与所述第三堆叠块相邻设置；所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；所述导线连接所述第三堆叠块和所述第一固定电阻构成第一半桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路、将第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一半桥结构转化成第一半桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
可选地，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场强度方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述第一传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
可选地，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
可选地，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
可选地，所述退火温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
可选地，所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
可选地，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
可选地，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
可选地，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
可选地，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
可选地，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
可选地，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
本发明又一些实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述的单轴磁场传感器。
本发明又一实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述的双轴磁场传感器。
本发明实施例提供的技术方案中，磁场传感器中的所有磁阻模块均位于同一个衬底上，可见，本发明中的单轴磁场传感器、双轴磁场传感器均是单一芯片结构，避免了现有技术中因多芯片拼接中的机械误差导致的产品灵敏度低、成品率低等问题，满足大规模生产的需求；此外，本发明通过一次性图形化刻蚀以及磁退火即可完成单轴或双轴磁场传感器的制备，与现有技术中在通过多次图形化刻蚀以及磁退火得到多个单独的磁阻单元之后，还需要进行芯片拼接封装才能得到单轴或双轴磁场传感器相比，本发明提供的技术方案避免了多芯片拼接时的机械误差，且工艺简单、制造成本低，且满足大规模生产的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的单轴磁场传感器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的双轴磁场传感器的结构示意图；
图3a为本发明一实施例提供的桥臂的结构示意图；
图3b为本发明一实施例提供的桥臂的又一结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的单轴磁场传感器的制备方法的流程图；
图5为本发明又一实施例提供的双轴磁场传感器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一些实施例提供的单轴磁场传感器的结构示意图。如图1所示，该单轴磁场传感器包括：衬底(未图示)；位于所述衬底上的第一全桥电路，所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块110和两个第二磁阻模块120，两个所述第一磁阻模块110分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块120分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A与自由层的磁化方向11B垂直、两个所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A相同；所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A与自由层的磁化方向12B垂直、两个所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A相同；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A与相邻的所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A和所述单轴磁场传感器的传感轴100正方向的夹角与所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A和所述单轴磁场传感器的传感轴100正方向的夹角互补。
本发明实施例提供的技术方案中，磁场传感器中的所有磁阻模块均位于同一个衬底上，而且基于一次膜堆碟材料工艺以及简单后退火工艺完成，可见，本发明中的单轴磁场传感器是单一芯片结构，避免了现有技术中因多次膜堆沉积，复杂的退火工艺，以及多芯片拼接中的机械误差导致的产品灵敏度低、均匀性，重复性差导致成品率低等问题，可以满足大规模生产的需求。
具体实施时，可采用形状各向异性来实现第一磁阻模块、第二磁阻模块的自由层的磁化方向的偏置。在一种可实现的方案中，所述第一磁阻模块110和所述第二磁阻模块120均具有易磁化轴；所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。即第一磁阻模块110和第二磁阻模块120均具有使各自自由层的磁化方向平行于其易磁化轴的形状。通常，如图1所示，第一磁阻模块110和第二磁阻模块120的长轴即为各自的易磁化轴，因此，可将第一磁阻模块110和第二磁阻模块120设计成扁长形状，以便形状各向异性足够强而使得在无外磁场的情况下，自由层的磁化方向沿着长轴方向。例如：第一磁阻模块110和第二磁阻模块120的形状包括但不限于长方形、长六边形或椭圆形。
下面将以图1中所示的电桥结构为例简单介绍单轴磁场传感器的工作原理：当外磁场方向沿着单轴磁场传感器的传感轴100正方向(箭头所指方向)时，第一磁阻模块110和第二磁阻模块120的自由层的磁化方向会向外磁场方向发生偏转，最终沿着外磁场方向，也就是说，两个第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A和自由层的磁化方向11B的夹角会变小(小于开始时的90°)，即两个第一磁阻模块的电阻均会变小，而第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A和自由层的磁化方向12B的夹角会变大(大于开始时的90°)，即第二磁阻模块的电阻均会变大。这样，根据电桥的输出值Vout即可确定出当前外磁场方向和强度。补充说明的是，要想测外磁场，磁场传感器在外磁场的作用下，两组相对桥臂上的电阻变化需相反，即一相对桥臂上的电阻值变小，另一相对桥臂上的电阻值变大。
由于第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角越接近90°，第一全桥电路的输出值越大，传感器灵敏度越高，因此，在具体实施时，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。进一步的，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。在一种可实现的方案中，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°，这时，当有外加磁场时，第一磁阻模块和第二磁阻模块的电阻变化量的绝对值相等，这时，电桥输出值最大，传感器灵敏度最高。
在一具体结构中，如图1所示，两个所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向11B相同；两个所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向12B相同；所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向11B和所述单轴磁场传感器的传感轴100正方向的夹角与所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向12B和所述单轴磁场传感器的传感轴100正方向的夹角互补。
上述第一磁阻模块可包括一个第一磁阻单元或串联的多个第一磁阻单元，所述第二磁阻模块可包括一个第二磁阻单元或串联的多个第二磁阻单元。例如：所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元101串联而成(如图3a和3b所示)、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。M和N的数值可根据实际情况进行设计，本实施例对此不作具体限定。各桥臂上的磁阻单元的数量越多，电桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为被平均掉。
在一种可实现的方案中，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。也即是，第一磁阻单元的易磁化轴为第一磁阻模块的易磁化轴，第二磁阻单元的易磁化轴为第二磁阻模块的易磁化轴。这样可确保在测量时各个第一磁阻单元的自由层的磁化方向的偏转角度相等、各个第二磁阻单元的自由层的磁化方向的偏转角度相等，降低后续根据输出结果计算出外磁场方向及强度的难度。
进一步的，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。这样可确保各桥臂在无外加磁场时电阻值相同，提高测量精度。
具体地，上述的第一磁阻模块可为巨磁阻或隧穿磁阻结构；第二磁阻模块可为巨磁阻或隧穿磁阻结构。此外，第一磁阻模块的参考层可以为合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，SAF)结构或为自旋阀(Spinvalve，SV)结构；第二磁阻模块的参考层可以为合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，SAF)结构或为自旋阀(Spinvalve，SV)结构。
需要说明的是，巨磁阻结构可采用CIP(电流平行面内，current-in-plane)或CPP(电流垂直面内，current-perpendicular-to-plane)方式工作；隧穿磁阻结构采用CPP方式工作。
本发明又一实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述各实施例中的单轴磁场传感器。该电子设备包括但不限于手机、智能手表、MP4、头戴显示设备、游戏手柄等。
图2为本发明一些实施例提供的双轴磁场传感器的结构示意图。如图2所示，该双轴磁场传感器包括：衬底；位于在所述衬底上的第一全桥电路和第一半桥电路；所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块110和两个第二磁阻模块120，两个所述第一磁阻模块110分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块120分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块110的参考层的磁化方向和第一传感轴200正方向的夹角与所述第二磁阻模块120的参考层的磁化方向和所述第一传感轴200正方向的夹角互补；所述第一半桥电路包括两个第三磁阻模块310和两个第一固定电阻R1；两个所述第三磁阻模块310分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻R1分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块310的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块310的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴300；其中，所述第一传感轴200和所述第二传感轴300相互垂直。
本发明实施例提供的技术方案中，磁场传感器中的所有磁阻模块均位于同一个衬底上，而且基于一次膜堆叠材料工艺以及简单后退火工艺完成。可见，本发明中的双轴磁场传感器均是单一芯片结构，避免了现有技术中因多次膜堆叠沉积工艺和复杂退火工艺，以及多芯片拼接中的机械误差导致的产品灵敏度低、均匀性，重复性差导致成品率低等问题，可以满足大规模生产的需求。
具体实施时，可采用形状各向异性来实现第一磁阻模块110、第二磁阻模块120和第三磁阻模310的自由层的磁化方向的偏置。在一种可实现的方案中，所述第一磁阻模块110、所述第二磁阻模块120以及所述第三磁阻模块310均具有易磁化轴；所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块310的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。即第一磁阻模块110和第二磁阻模块120、所述第三磁阻模块310均具有使各自的自由层的磁化方向平行于各自易磁化轴的形状。通常，如图2所示，第一磁阻模块110和第二磁阻模块120、第三磁阻模块310的长轴即为各自的易磁化轴，因此，可将第一磁阻模块110和第二磁阻模块120、第三磁阻模块310设计成扁长形状，以便形状各向异性足够强而使得在无外磁场的情况下，自由层的磁化方向沿着长轴方向。例如：第一磁阻模块110和第二磁阻模块120、第三磁阻模块310的形状包括但不限于长方形、长六边形或椭圆形。
下面将以图2中所示的双轴传感器为例简单介绍双轴磁场传感器的工作原理：当外磁场方向沿着第一轴200正方向时，第一半桥电路中的第三磁阻模块310的自由层的磁化方向不发生偏转，因此，第一半桥电路对第一传感轴方向上的磁场不敏感；第一全桥电路中第一磁阻模块110和第二磁阻模块120的自由层的磁化方向会向外磁场方向发生偏转，最终沿着外磁场方向，也就是说，两个第一磁阻模块110的参考层的磁化方向11A和自由层的磁化方向11B的夹角会变小(小于开始时的90°)，即两个第一磁阻模块的电阻均会变小，而两个第二磁阻模块120的参考层的磁化方向12A和自由层的磁化方向12B的夹角会变大(大于开始时的90°)，即两个第二磁阻模块的电阻均会变大，这时，第一全桥电路有输出值Vout1，而第一半桥电路无输出值(即Vout2为0)。由于第一半桥电路无输出值，可判断出外磁场方向沿着第一传感轴，再根据第一全桥电路的输出值Vout1即可确定出当前外磁场沿着第一传感轴正方向以及磁场强度。当外磁场方向沿着第二轴正方向时，第一全桥电路上的各桥臂中参考层的磁化方向与自由层的磁化方向的夹角均在变小，且变化量相等，因此，第一全桥电路无输出，可见，第一全桥电路对第二轴方向上的磁场不敏感，且外磁场沿着第二轴；第二半桥电路中两个第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向的夹角均在变大，第一固定电阻阻值不变，因此第二半桥电路有输出值，根据第二半桥电路的输出值即可确定出外磁场的具体磁场方向和磁场强度。由于任何一个方向上的磁场，都可分解到相交的第一传感轴和第二传感轴上，通过第一全桥电路测量第一传感轴上的磁场分量，第一半桥电路测量第二传感轴上的磁场分量，通过两个分量大小和正负即可确定出磁场方向和磁场强度。
由于第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角越接近90°，第一全桥电路的输出值越大，传感器灵敏度越高，因此，在具体实施时，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。进一步的，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。在一种可实现的方案中，第一磁阻模块的易磁化轴与第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°，这时，当有外加磁场时，第一磁阻模块和第二磁阻模块的电阻变化量的绝对值相等，这时，电桥输出值最大，传感器灵敏度最高。
在一具体结构中，如图2所示，两个所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向11B相同；两个所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向12B相同；所述第一磁阻模块110的自由层的磁化方向11B和所述第一传感轴200正方向的夹角与所述第二磁阻模块120的自由层的磁化方向12B和第一传感轴200正方向的夹角互补。两个所述第三磁阻模块120的自由层的磁化方向相同。
进一步的，上述第一磁阻模块可由一个第一磁阻单元或多个第一磁阻单元串联而成，所述第二磁阻模块可由一个第二磁阻单元或多个第二磁阻单元串联而成，上述第三磁阻模块可由一个第三磁阻单元或多个第三磁阻单元串联而成。
例如：所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。M和N的数值可根据实际情况进行设计，并实施例对此不作具体限定。各桥臂上的磁阻单元的数量越多，全桥电桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为被平均掉。
在一种可实现的方案中，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。也即是，第一磁阻单元的易磁化轴为第一磁阻模块的易磁化轴，第二磁阻单元的易磁化轴为第二磁阻模块的易磁化轴。这样可确保在测量时各个第一磁阻单元的自由层的磁化方向的偏转角度相等、各个第二磁阻单元的自由层的磁化方向的偏转角度相等，降低后续根据输出结果计算出外磁场方向及强度的难度。
进一步的，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。这样可确保各桥臂在无外加磁场时电阻值相同，提高测量精度。
在一具体结构中，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。半桥电路上相对桥臂上的磁阻单元的数量越多，半桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为被平均掉。
进一步的，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。这样可确保在测量时各个第三磁阻单元的自由层的磁化方向的偏转角度相等，以降低根据输出值确定外磁场方向和强度的难度。
为了提高第一半桥电路的测量精度，可使所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等，这样，各桥臂上的电阻在无外磁场时相等。
具体地，上述的所述第一磁阻模块可为巨磁阻或隧穿磁阻结构；第二磁阻模块可为巨磁阻或隧穿磁阻结构；第三磁阻模块可为巨磁阻或隧穿磁阻结构。此外，第一磁阻模块的参考层可以为合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，SAF)结构或为自旋阀(Spinvalve，SV)结构；第二磁阻模块的参考层可以为合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，SAF)结构或为自旋阀(Spinvalve，SV)结构；第三磁阻模块的参考层可以为合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，SAF)结构或为自旋阀(Spinvalve，SV)结构。
需要说明的是，巨磁阻结构可采用CIP(电流平行面内，current-in-plane)或CPP(电流垂直面内，current-perpendicular-to-plane)方式工作；隧穿磁阻结构采用CPP方式工作。
本发明又一些实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述的双轴磁场传感器。该电子设备包括但不限于手机、智能手表、MP4、头戴显示设备、游戏手柄等。
需要补充的是，单、双轴磁场传感器采用单一芯片结构可有效避免现有技术中因多芯片拼接导致的连接导线断裂的问题，从而提高磁场传感器的稳定性以及使用寿命。在实际应用中，上述各实施例中的第一磁阻模块、第二磁阻模块和/或第三磁阻模块可包括由下到上依次层叠的种子层、反铁磁钉扎层、参考层、非磁间层、自由层和覆盖层。种子层为：由下到上依次层叠的Ta和NiFeCr反铁磁钉扎层为：IrMn参考层为：CoFe或由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe非磁间层为：Cu自由层为：CoFe覆盖层为：由下到上依次层叠的NiFeTa
需要说明的是，参考层为由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe即参考层为SAF结构。
需要补充说明的是，上述各实施例中的第一全桥电路为全惠斯登桥电路；上述各实施例中的第一半桥电路为半惠斯登桥电路。
本发明又一些实施例提供了一种单轴磁场传感器的制备方法。如图4所示，该方法包括：
1101、在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层。
1102、对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块和两个第二堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且第一堆叠块与第二堆叠块相邻设置。
1103、在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构。
1104、在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路。
其中，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
上述步骤1101中，可采用磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延或电子束蒸镀等方式在衬底上制备各层薄膜，以得到堆叠层。通常情况下，堆叠层可包括由下到上依次层叠的种子层、反铁磁钉扎层、磁性参考层、非磁间层、磁性自由层、覆盖层。其中，各层的具体结构以及具体材料可根据实际需要进行设计，本发明对此不作具体限制。现有技术中为了增强钉扎效果，会将磁性参考层改进为合成反铁磁结构(syntheticantiferromagnet，SAF)，合成反铁磁结构包括由下到上依次层叠的第一铁磁参考层、SAF间层以及第二铁磁参考层，SAF间层可以为Ru，Cr，Mo层等。
在一种可实现的方案中，种子层可为：由下到上依次层叠的Ta和NiFeCr反铁磁钉扎层为：IrMn参考层为：CoFe 或由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe非磁间层为：Cu自由层为：CoFe覆盖层为：由下到上依次层叠的NiFeTa需要说明的是，当参考层为由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe时，该参考层为SAF结构。
在上述步骤1102中，可根据实际需要设计出第一磁阻模块和第二磁阻模块的形状，本实施例对此不作具体限制。
可采用感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、反应离子刻蚀(reactive-ion etching,RIE)或离子铣(Ion milling)工艺对膜堆层进行刻蚀以得到具有预设形状的两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块。
在上述步骤1103中，可通过热蒸镀、磁控溅射等工艺制备导线。具体实施时，可事先制备包含有导线图案的掩膜板，通过该掩膜板，采用热蒸镀或磁控溅射沉积金属材料以制备导线。两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块通过导线呈全桥式连接。
在上述步骤1104中，先在第一磁场中进行加热处理，加热处理后，撤去第一磁场后，进行冷却以得到成品。在第一磁场中加热处理后，第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向均沿着第一磁场的磁场方向，撤去磁场后，由于当前环境还处于较高温度下，第一磁阻模块和第二磁阻模块会出现退磁效应，使得第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向发生偏转，并在冷却之后，第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向被钉扎，且最终第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向与各自的自由层磁化方向垂直。
可见，采用本实施例提供的制备方法可一次性完成两个不同钉扎方向。本发明通过简单几步光刻和图形化刻蚀以及外加磁场后退火即可完成单轴磁场全惠斯登桥传感器的制备，与现有技术中在通过多次膜堆叠材料工艺，复杂的图形化刻蚀以及磁退火工艺后才能得到单轴磁场传感器相比，本发明提供的技术方案不仅避免了复杂工艺多芯片拼接时的机械误差，降低了成品差异性，还具有工艺简单、制造成本低，且满足大规模生产的需求等优点。
具体实施时，可在第一磁场中加热1-10小时；撤去磁场后，可直接冷却或再继续加热0-3小时。此外，第一磁场的磁场强度越大越好，但是磁场强度越大，对制备设备的要求也就更高。因此，所述第一磁场的磁场强度只要大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度即可实现参考层的磁化方向的偏置。通常，第一磁场的磁场强度的范围为【0.3T，2T】，优选地，其范围为【0.6T，1T】。
在撤去第一磁场后，由于参考层的退磁场或/和复合参考层反铁磁相互作用场的作用下，使得参考层磁化方向朝短轴方向偏转。从而参考层在退火降温至室温后被钉扎在偏向短轴/难轴方向。此外，在撤去第一磁场之后，冷却之前，可以继续加热一段时间，以使参考层的磁化方向发生偏转。例如：所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却，包括：首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述单轴磁场传感器的传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；然后，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时；最后，冷却至室温。具体地，撤去所述第一磁场，继续加热0.75-1.5小时。为了防止在撤去第一磁场后，由于第一磁阻模块、第二磁阻模块的参考层的磁化方向的偏转力不足，难以偏转到与其自由层的磁化方向垂直的方向，可在撤去第一磁场后，添加与第一磁场的磁场方向相反的第二磁场，以提供偏转力，第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。在一种可实现的方案中，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时，包括：撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；然后，撤去所述第二磁场；其中，所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。由于第二磁场的磁场强度低于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度，在第二磁场中加热的时间也短于第一磁场中的加热时间，因此，第一、第二磁阻模块的参考层的磁化方向不会偏转至第二磁场方向，且最多会偏转到垂直于各自自由层磁化方向。具体地，撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0.75-1.5小时。
通常，由于堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度大于0.3T，因此，可将第二磁场的磁场强度的范围设为【0.0T，0.3T】。在一种可实现的方案中，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.01T，0.3T】。
需要说明的是，当参考层为SAF结构时，堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度会增强，此时，反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度被称为组合反铁磁结构耦合场强度。
退火温度可根据堆叠层的反铁磁阻塞温度(Blocking temperature)T来设置，具体地，退火温度范围为【T-50℃，T+50℃】。
进一步的，在图形化刻蚀过程中，可将第一堆叠块和第二堆叠块设计成形状各向异性，从而使得第一磁阻模块和第二磁阻模块均具有易磁化轴。所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。即第一磁阻模块和第二磁阻模块具有长轴和短轴，长轴即易磁化轴，短轴即难轴，长轴与短轴相互垂直。
在通过上述步骤1101、步骤1102和步骤1103制备得到半成品：所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；两个第一堆叠层位于第一全桥结构的一相对桥臂上，两个第二堆叠块位于第一全桥结构的另一相对桥臂上。加热处理是在第一磁场中进行的，第一磁场的磁场方向垂直于单轴磁场传感器的传感轴(注：在制备单轴磁场传感器之前，可事先规定一个方向，以这个方向为传感轴方向来设计，这样，最终得到的单轴磁场传感器的传感轴也即是沿着这个方向)，经过一段时间加热处理后，两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块的参考层的磁化方向均指第一磁场的磁场方向，之后，撤去第一磁场，在无磁场或第二磁场中持续加热过程中或在冷却的开始阶段，第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向均会朝向各自的短轴方向发生偏转，最终固定在短轴方向上(即指向短轴方向)。在无磁场或第二磁场中持续加热过程中以及在冷却的开始阶段发生偏转是由于退磁效应产生的。即在撤去第一磁场之后，由于退磁效应使得磁阻模块产生一个退磁场(即：弥散场)，磁力线从磁阻模块出来并形成磁力线回路，这个磁路线回路偏向于走最短路线(最短路径对应于能量最低的状态)，因此，磁力线回路逐渐向短轴方向发生偏转，最终使得参考层的磁化方向固定在短轴方向上。最终得到的上述成品。
本实施例中，最终得到的单轴磁场传感器的具体结构可参见上述相关实施例，在此不再赘述。
在一种可实现的方案中，磁场退火过程中，第一磁场的磁场强度为0.3-2特斯拉。具体地，所述第一磁场的磁场强度为0.6-1特斯拉。
此外，磁场退火过程中，退火温度为200-300℃。具体地，退火温度为230-270℃。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，上述制备方法还包括：在衬底上依次沉积磁阻单元的各层薄膜之前，在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将磁阻单元的各层薄膜沉积在绝缘层上。
本发明又一些实施例提供了一种双轴磁场传感器的制备方法。如图5所示，该方法包括：
2101、在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
2102、对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块、两个第二堆叠块和两个第三堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置，两个所述第三堆叠块相对设置；
2103、在所述衬底上制备两个第一固定电阻和导线，两个所述第一固定电阻相对设置、且所述第一固定电阻与所述第三堆叠块相邻设置；所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；所述导线连接所述第三堆叠块和所述第一固定电阻构成第一半桥结构；
2104、在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路、将第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一半桥结构转化成第一半桥电路。
其中，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
上述步骤2101中，可采用磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延或电子束蒸镀等方式在衬底上制备各层薄膜，以得到堆叠层。通常情况下，堆叠层可包括由下到上依次层叠的种子层、反铁磁钉扎层、磁性参考层、非磁间层、磁性自由层。其中，各层的具体结构以及具体材料可根据实际需要进行设计，本发明对此不作具体限制。现有技术中为了增强钉扎效果，会将磁性参考层改进为合成反铁磁结构(synthetic antiferromagnet，SAF)，合成反铁磁结构包括依次层叠的第一铁磁参考层、SAF间层以及第二铁磁参考层。SAF间层可以为Ru，Cr，Mo层等。
在一种可实现的方案中，种子层可为：由下到上依次层叠的Ta和NiFeCr反铁磁钉扎层为：IrMn参考层为：CoFe 或由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe非磁间层为：Cu自由层为：CoFe覆盖层为：由下到上依次层叠的NiFeTa需要说明的是，当参考层为由下到上依次层叠的CoFeRuCoFe时，该参考层为SAF结构。
在上述步骤2102中，可根据实际需要设计出第一磁阻模块和第二磁阻模块、第三磁阻模块的形状，本实施例对此不作具体限制。
可采用感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、反应离子刻蚀(reactive-ion etching,RIE)或离子铣(Ion milling)工艺对膜堆层进行刻蚀以得到具有预设形状的两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块、两个第三磁阻模块。
在上述步骤2103中，可通过热蒸镀、磁控溅射来制备两个第一固定电阻和导线。具体实施时，可事先制备包含有导线图案以及第一固定电阻图案的掩膜板，通过该掩膜板，采用热蒸镀或磁控溅射沉积金属材料以制备两个第一固定电阻和导线。
在上述步骤2104中，先在第一磁场中进行加热处理，加热处理后，撤去第一磁场后，进行冷却以得到成品。在第一磁场中加热处理后，第一磁阻模块和第二磁阻模块、第三磁阻模块的参考层的磁化方向均沿着第一磁场的磁场方向，撤去磁场后，由于第一磁阻模块和第二磁阻模块的退磁效应，使得第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向发生偏转，并在冷却之后，得到上述成品。
可见，采用本实施例提供的制备方法，可在单一堆叠层上采用简单刻蚀工艺以及退火工艺可同时制成双轴磁场传感器，且一次性完成三个不同钉扎方向。本发明通过简单图形化刻蚀以及磁退火即可完成双轴磁场传感器的制备，与现有技术中在通过多次膜堆沉积和复杂图形化刻蚀以及磁退火得到的磁阻单元之后，还需要进行芯片拼接才能得到双轴磁场传感器相比，本发明提供的技术方案不仅避免了多芯片拼接时的机械误差，降低成品差异性，还具有工艺简单、制造成本低，满足大规模生产的需求等优点。
具体实施时，可在第一磁场中加热1-10小时；撤去磁场后，可直接冷却或再继续加热0-3小时。此外，第一磁场的磁场强度越大越好，但是磁场强度越大，对制备设备的要求也就更高。因此，所述第一磁场的磁场强度只要大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度即可实现参考层的磁化方向的偏置。通常，第一磁场的磁场强度的范围为【0.3T，2T】，优选地，其范围为【0.6T，1T】。
撤去第一磁场之后，由于第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向在撤去外加磁场后，由于参考层的退磁场或/和复合参考层反铁磁相互作用场的作用下，使得参考层磁化方向朝短轴方向偏转。从而参考层在退火降温至室温后被钉扎在偏向短轴/难轴方向。。此外，在撤去第一磁场之后，冷却之前，可以继续加热一段时间，以使参考层的磁化方向发生偏转。例如：所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却，包括：首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场方向平行于所述衬底的表面且垂直于第一传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；然后，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时；最后，冷却至室温。具体地，撤去所述第一磁场，继续加热0.75-1.5小时。
为了防止在撤去第一磁场后，由于第一磁阻模块、第二磁阻模块的参考层的磁化方向的偏转力不足，难以偏转到与各自自由层的磁化方向垂直的方向，可在撤去第一磁场后，添加与第一磁场的磁场方向相反的第二磁场，以增大偏转力，第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。在一种可实现的方案中，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时，包括：撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；然后，撤去所述第二磁场；其中，所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。由于第二磁场的磁场强度低于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度，且在第二磁场中加热的时间也短于第一磁场中的加热时间，因此，第一、第二磁阻模块的参考层的磁化方向不会偏转至第二磁场方向。具体地，撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0.75-1.5小时。
通常，由于堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度大于0.3T，因此，可将第二磁场的磁场强度的范围设为【0.0T，0.3T】。在一种可实现的方案中，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.01T，0.3T】。
需要说明的是，当参考层为SAF结构时，堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度会增强，此时，反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度被称为组合反铁磁结构耦合场强度。
退火温度可根据堆叠层的反铁磁阻塞温度(Blocking temperature)T来设置，具体地，退火温度范围为【T-50℃，T+50℃】。
进一步的，在图形化刻蚀过程中，可将第一堆叠块和第二堆叠块、第三堆叠块设计成形状各向异性，从而使得第一磁阻模块和第二磁阻模块、第三磁阻模块均具有易磁化轴。所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块和第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。即第一磁阻模块和第二磁阻模块、第三磁阻模块具有长轴和短轴，长轴即易磁化轴，长轴与短轴相互垂直。
在通过上述步骤2101、步骤2102和步骤2103制备得到半成品：所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；两个第一堆叠层位于第一全桥结构的一相对桥臂上，两个第二堆叠块位于第一全桥结构的另一相对桥臂上；两个第三堆叠块位于第一半桥结构的一相对桥臂上；加热处理是在第一磁场中进行的，第一磁场的磁场方向垂直于第一传感轴(注：在制备双轴磁场传感器之前，可事先规定一个方向，以这个方向为第一传感轴方向来设计，这样，最终得到的双轴磁场传感器的第一传感轴也即是沿着这个方向)，经过一段时间加热处理后，两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块的参考层的磁化方向、两个第三磁阻模块的参考层的磁化方向均指向第一磁场的磁场方向，之后，撤去第一磁场，在无磁场或第二磁场中持续加热过程中，或在冷却的开始阶段，第一磁阻模块和第二磁阻模块的参考层的磁化方向均会朝向各自的短轴方向发生偏转，最终固定在短轴方向上(即指向短轴方向)。在持续加热过程中以及在无磁场冷却的开始阶段发生偏转是由于退磁效应产生的。即在撤去第一磁场之后，由于退磁效应使得磁阻模块产生一个退磁场(即：弥散场)，磁力线从磁阻模块出来并形成磁力线回路，这个磁路线回路偏向于走最短路线(最短路径对应于能量最低的状态)，因此，磁力线回路逐渐向短轴方向(垂直于易磁化轴的方向)发生偏转，最终使得参考层的磁化方向固定在短轴方向上。需要说明的是，在撤去第一磁场之后，如图2所示，由于第三磁阻模块的参考层的磁化方向已沿着短轴方向，因此，第三磁阻模块的参考层的磁化方向在后续持续加热过程中以及后续冷却的开始阶段不会发生偏转。
本实施例中，最终得到的双轴磁场传感器的具体结构可参见上述相关实施例，在此不再赘述。
在一种可实现的方案中，磁场退火过程中，第一磁场的磁场强度为0.3-2特斯拉。具体地，所述第一磁场的磁场强度为0.6-1特斯拉。
此外，磁场退火过程中，退火温度为200-300℃。具体地，退火温度为230-270℃。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，上述制备方法还包括：在衬底上依次沉积磁阻单元的各层薄膜之前，在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将磁阻单元的各层薄膜沉积在绝缘层上。
需要补充说明的是，本发明提供的单一芯片单轴或双轴磁场传感器与CMOS兼容性强，可直接在ASIC(Application Specific Integrated Circuits,专用集成电路)电路上制备得到，即易于与ASIC实现纵向集成；单一芯片结构相比于多芯片拼接封装结构，结构简单，芯片面积较小，满足当前的电子产品小型化设计需求；本发明提供的单、双轴磁场传感器检测方法直接，算法简单。此外，通过单一堆叠层制成单轴或双轴传感器，成本低；由于结构简单且制备工艺简单，可以很容易根据不同应用，来设计传感器的灵敏度和测量范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
A1、一种单轴磁场传感器，包括：
衬底；
位于所述衬底上的第一全桥电路，所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
A2、根据A1所述的单轴磁场传感器，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
A3、根据A2所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
A4、根据A2所述的单轴磁场传感器，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
A5、根据A2所述的单轴磁场传感器，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
A6、根据A1-A5中任一项所述的单轴磁场传感器，两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
A7、根据A2-A5中任一项所述的单轴磁场传感器，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
A8、根据A7所述的单轴磁传感器，
所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
A9、根据A7所述的单轴磁传感器，
所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
B10、一种双轴磁场传感器，包括：
衬底；
位于在所述衬底上的第一全桥电路和第一半桥电路；
所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
所述第一半桥电路包括两个第三磁阻模块和两个第一固定电阻；两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
B11、根据B10所述的双轴磁场传感器，
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
B12、根据B11所述的双轴磁场传感器，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
B13、根据B11所述的双轴磁场传感器，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
B14、根据B11所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
B15、根据B10-B14中任一项所述的双轴磁场传感器，
两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向相同。
B16、根据B10-B14中任一项所述的双轴磁场传感器，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
B17、根据B16所述的双轴磁场传感器，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
B18、根据B17所述的双轴磁场传感器，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
B19、根据B10-B14中任一项所述的双轴磁场传感器，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
B20、根据B19所述的双轴磁场传感器，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
B21、根据B20所述的双轴磁场传感器，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
C22、一种单轴磁场传感器的制备方法，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块和两个第二堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
C23、根据C22所述的制备方法，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却，包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述单轴磁场传感器的传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
C24、根据C23所述的制备方法，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
C25、根据C24所述的制备方法，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
C26、根据C22所述的制备方法，
所述加热温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
C27、根据C22-C26中任一项所述的制备方法，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
C28、根据C27所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
C29、根据C27所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
C30、根据C27所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
C31、根据C27所述的制备方法，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
C32、根据C31所述的制备方法，
所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
C33、根据C32所述的制备方法，
所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
D34、一种双轴磁场传感器的制备方法，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块、两个第二堆叠块和两个第三堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置，两个所述第三堆叠块相对设置；
在所述衬底上制备两个第一固定电阻和导线，两个所述第一固定电阻相对设置、且所述第一固定电阻与所述第三堆叠块相邻设置；所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；所述导线连接所述第三堆叠块和所述第一固定电阻构成第一半桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路、将第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一半桥结构转化成第一半桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
D35、根据D34所述的制备方法，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场强度方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述第一传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
D36、根据D35所述的制备方法，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
D37、根据D36所述的制备方法，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
D38、根据D34所述的制备方法，
所述退火温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
D39、根据D34-D38中任一项所述的制备方法，
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
D40、根据D39所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
D41、根据D39所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
D42、根据D39所述的制备方法，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
D43、根据D39所述的制备方法，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
D44、根据D43所述的制备方法，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
D45、根据D44所述的制备方法，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
D46、根据D39所述的制备方法，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
D47、根据D46所述的制备方法，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
D48、根据D47所述的制备方法，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
E49、一种电子设备，包括A1-A9中任一项所述的单轴磁场传感器。
F50、一种电子设备，包括B10-B21中任一项所述的双轴磁场传感器。
Claims (50)
1.一种单轴磁场传感器，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的第一全桥电路，所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块为巨磁阻或隧穿磁阻结构；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
2.根据权利要求1所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
3.根据权利要求2所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
4.根据权利要求2所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
5.根据权利要求2所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的单轴磁场传感器，其特征在于，两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
8.根据权利要求7所述的单轴磁场传感器，其特征在于，
所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
9.根据权利要求7所述的单轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
10.一种双轴磁场传感器，其特征在于，包括：
衬底；
位于在所述衬底上的第一全桥电路和第一半桥电路；
所述第一全桥电路包括两个第一磁阻模块和两个第二磁阻模块，两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块为巨磁阻或隧穿磁阻结构；
所述第一半桥电路包括两个第三磁阻模块和两个第一固定电阻；两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
11.根据权利要求10所述的双轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
12.根据权利要求11所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
13.根据权利要求11所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
14.根据权利要求11所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的双轴磁场传感器，其特征在于，
两个所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向相同；两个所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向相同。
16.根据权利要求10-14中任一项所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
17.根据权利要求16所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
18.根据权利要求17所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
19.根据权利要求10-14中任一项所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
20.根据权利要求19所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
21.根据权利要求20所述的双轴磁场传感器，其特征在于，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
22.一种单轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块和两个第二堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；
所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述单轴磁场传感器的传感轴正方向的夹角互补。
23.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却，包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述单轴磁场传感器的传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
24.根据权利要求23所述的制备方法，其特征在于，撤去所述第一磁场，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
26.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于，
所述加热处理对应的退火温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向和所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
28.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
29.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
30.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
31.根据权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
32.根据权利要求31所述的制备方法，其特征在于，
所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
33.根据权利要求32所述的制备方法，其特征在于，
所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同、且M＝N。
34.一种双轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图形化刻蚀形成两个第一堆叠块、两个第二堆叠块和两个第三堆叠块；其中，两个所述第一堆叠块相对设置、两个所述第二堆叠块相对设置、且所述第一堆叠块与所述第二堆叠块相邻设置，两个所述第三堆叠块相对设置；
在所述衬底上制备两个第一固定电阻和导线，两个所述第一固定电阻相对设置、且所述第一固定电阻与所述第三堆叠块相邻设置；所述导线连接所述第一堆叠块和所述第二堆叠块构成第一全桥结构；所述导线连接所述第三堆叠块和所述第一固定电阻构成第一半桥结构；
在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却以将所述第一堆叠块转化成第一磁阻模块、将所述第二堆叠块转化成第二磁阻模块、将所述第一全桥结构转化成第一全桥电路、将第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一半桥结构转化成第一半桥电路；其中，
两个所述第一磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第二磁阻模块分别位于所述第一全桥电路的另一对相对桥臂上；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向相同；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向与相邻的所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向夹角为A，0<A<180°；所述第一磁阻模块的参考层的磁化方向和第一传感轴正方向的夹角与所述第二磁阻模块的参考层的磁化方向和所述第一传感轴正方向的夹角互补；
两个所述第三磁阻模块分别位于所述第一半桥电路的一对相对桥臂上，两个所述第一固定电阻分别位于所述第一半桥电路的另一对相对桥臂上；两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向与自由层的磁化方向垂直、两个所述第三磁阻模块的参考层的磁化方向相同且平行于第二传感轴；
其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直。
35.根据权利要求34所述的制备方法，其特征在于，所述在第一磁场中进行加热处理，并在撤去所述第一磁场后冷却包括：
首先，在第一磁场中加热2-5小时，其中所述第一磁场的磁场强度方向平行于所述衬底的表面且垂直于所述第一传感轴、所述第一磁场的磁场强度大于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度；
然后，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时；
最后，冷却至室温。
36.根据权利要求35所述的制备方法，其特征在于，撤去所述第一磁场后，继续加热0-1.5小时，包括：
撤去所述第一磁场后，添加第二磁场以在所述第二磁场中继续加热0-1.5小时；
然后，撤去所述第二磁场；其中，
所述第二磁场的磁场方向与所述第一磁场的磁场方向相反，且所述第二磁场的磁场强度小于所述堆叠层中反铁磁钉扎层与参考层之间的交换耦合场强度。
37.根据权利要求36所述的制备方法，其特征在于，所述第二磁场的磁场强度的范围为【0.0T，0.3T】。
38.根据权利要求34所述的制备方法，其特征在于，
所述加热处理对应的退火温度的范围为【T-50℃，T+50℃】，其中，所述T为所述堆叠层的反铁磁阻塞温度。
39.根据权利要求34-38中任一项所述的制备方法，其特征在于，
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块以及所述第三磁阻模块均具有易磁化轴；
所述第一磁阻模块的自由层的磁化方向、所述第二磁阻模块的自由层的磁化方向以及所述第三磁阻模块的自由层的磁化方向分别平行于各自的易磁化轴。
40.根据权利要求39所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为80°～100°。
41.根据权利要求39所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为85°～95°。
42.根据权利要求39所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块的易磁化轴与所述第二磁阻模块的易磁化轴的夹角为90°。
43.根据权利要求39所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻模块由M个第一磁阻单元串联而成、所述第二磁阻模块由N个第二磁阻单元串联而成，其中M、N均为正整数。
44.根据权利要求43所述的制备方法，其特征在于，所述M个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行、所述N个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行。
45.根据权利要求44所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁阻单元的形状与所述第二磁阻单元的形状相同，且M＝N。
46.根据权利要求39所述的制备方法，其特征在于，所述第三磁阻模块由Q个第三磁阻单元串联而成，其中Q均为正整数。
47.根据权利要求46所述的制备方法，其特征在于，所述Q个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行。
48.根据权利要求47所述的制备方法，其特征在于，所述Q个第三磁阻单元的总电阻值与所述第一固定电阻的电阻值相等。
49.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的单轴磁场传感器。
50.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求10-21中任一项所述的双轴磁场传感器。
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