CN110646502A - 一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器，包括：可变形基板；位于可变形基板上的磁阻应力传感器电桥、覆盖磁阻应力传感器电桥的电隔离层以及位于电隔离层上的磁屏蔽层；位于可变形基板上方的氢敏感层，氢敏感层在可变形基板所在平面的正投影覆盖电隔离层，氢敏感层用于吸附或脱附氢气以发生膨胀或收缩形变并引起可变形基板的应力变化，磁阻应力传感器电桥用于根据可变形基板的应力变化进行氢气浓度测量。本发明实施例，提高了氢气传感器的各项性能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及气体传感器技术，尤其涉及一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器。
背景技术
氢气作为替代化石能源的一种可再生、无有害排放的新能源，近年来在全球范围内吸引了越来越多的目光，并得到了快速发展。目前，世界主要经济体，如美国、欧盟、日本等都在不遗余力地推进氢气作为未来车辆与家用的新能源与新燃料，丰田等公司已经开始设计生产氢燃料汽车。
氢气不能被人体感官所感知，但其本身却是高度可燃和易爆的，氢气在空气中的可燃性阈值在4％左右。为了保证使用氢气作为能源的设备的安全，需要可靠的、高灵敏度的氢气传感器。
传统的氢气传感器种类繁多，但是多存在光学测量方法复杂，所能测量的氢气浓度范围较小，灵敏度低，反应时间长等缺陷。此外，现有传感器在实际工作时，敏感单元中需要通过电流并有电压，如果空气中氢气的浓度到达爆炸极限，有可能点燃气体并引起爆炸。
发明内容
本发明实施例提供一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器，以提高氢气传感器的性能。
本发明实施例提供了一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器，包括：可变形基板；
位于所述可变形基板上的磁阻应力传感器电桥、覆盖所述磁阻应力传感器电桥的电隔离层以及位于所述电隔离层上的磁屏蔽层；
位于所述可变形基板上方的氢敏感层，所述氢敏感层在所述可变形基板所在平面的正投影覆盖所述电隔离层，所述氢敏感层用于吸附或脱附氢气以发生膨胀或收缩形变并引起所述可变形基板的应力变化，所述磁阻应力传感器电桥用于根据所述可变形基板的应力变化进行氢气浓度测量。
本发明实施例中，提出一种基于电隔离的隧道磁阻应力敏感元件的氢气传感器，该氢气传感器包括可变形基板、位于可变形基板上的隧道磁阻应力传感器电桥、位于该TMR应力传感器电桥上的磁屏蔽层以及氢敏感层，氢敏感层用于吸附或脱附氢气而发生膨胀或收缩，从而引起可变形基板的应力的变化，磁阻应力传感器电桥采集到应力信号并将其转变成电信号，根据应力与氢气浓度的关系，实现对氢气浓度的测量。本实施例中，可变形基板可灵敏且实时的根据氢敏感层的变化而产生相应变化，提高了氢气传感器灵敏性和反应速率，并且测量方法简单，此外，电隔离层的设置可以实现氢气环境和磁阻应力传感器电桥之间的电隔离，从而保证了安全性，还能够应用在氢气浓度较大的环境中，提高测量范围。提高了氢气传感器的各项新能。
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做一简单地介绍，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是本发明实施例提供的氢气传感器的示意图；
图2是本发明实施例提供的氢敏感层和悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图3是本发明实施例提供的氢敏感层和悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图4是本发明实施例提供的氢敏感层和膜片组件的结构及应力分布图；
图5是本发明实施例中磁电阻传感单元的堆叠结构示意图；
图6是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图7是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图8是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图9A-图9P是磁电阻传感单元的自由层处于不同起始磁矩时在拉压应力作用下的旋转角度图；
图10A-图10D是自由层起始磁矩角度和旋转角度在拉应力和压应力作用下的圆周分布图；
图11是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图12是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图13是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图14是本发明实施例提供的推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图15A-图15F是自由层起始磁矩角度和旋转角度在拉应力和压应力作用下的圆周分布图；
图16是本发明实施例提供的参考式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁的结构及应力分布示意图；
图17是本发明实施例提供的参考式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图18是本发明实施例提供的参考式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件的结构及应力分布示意图；
图19A-图19D是自由层起始磁矩角度和旋转角度在参考拉压应力作用下的圆周分布图；
图20A-图20D是磁阻应力传感器电桥的桥式结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器的示意图。本实施例提供的氢气传感器包括：可变形基板1；位于可变形基板1上的磁阻应力传感器电桥2、覆盖磁阻应力传感器电桥2的电隔离层3以及位于电隔离层3上的磁屏蔽层4；位于可变形基板1上方的氢敏感层5，氢敏感层5在可变形基板1所在平面的正投影覆盖电隔离层3，氢敏感层5用于吸附或脱附氢气以发生膨胀或收缩形变并引起可变形基板1的应力变化，磁阻应力传感器电桥2用于根据可变形基板1的应力变化进行氢气浓度测量。
本实施例中，可选可变形基板1为任意一种可变形的膜层或基板，其中原始状态下，可变形基板1为平面状态，形变状态下，可变形基板1发生形变并产生应力变化。可选可变形基板1为悬臂梁；或者，可变形基板为膜片组件，膜片组件包括框架和封装在框架中的膜片，磁阻应力传感器电桥设置在膜片上。
本实施例中，可变形基板1上设置有磁阻应力传感器电桥2，磁阻应力传感器电桥2包括磁电阻传感单元，磁阻应力传感器电桥2上覆盖有电隔离层3以及位于电隔离层3上的磁屏蔽层4。电隔离层3可实现磁阻应力传感器电桥2的电源环境与外部环境之间的电绝缘隔离，尤其是在氢气环境下实现氢气环境和电源环境的隔离，避免氢气发生爆炸，提高产品测试安全性。磁屏蔽层4可以隔离外部环境的磁场与磁阻应力传感器电桥2，避免外部环境的磁场对磁阻应力传感器电桥2的影响，使得磁阻应力传感器电桥2主要采集可变形基板1的形变信号，提高磁阻应力传感器电桥2的测试准确性。可选磁阻应力传感器电桥2为隧道磁阻应力传感器电桥，可选电隔离层为任意一种可实现电绝缘隔离的膜层，可选磁屏蔽层为任意一种可实现电磁屏蔽的膜层。
本实施例中，可变形基板1上方设置有氢敏感层5，可选如图1所示氢敏感层5贴覆在磁屏蔽层4上，在其他实施例中还可选氢敏感层直接贴覆在可变形基板上。氢敏感层5在可变形基板1所在平面的正投影覆盖电隔离层3，则氢敏感层5吸附或脱附氢气发生的形变可使得其覆盖区域的可变形基板1发生形变，进而位于其覆盖区域的磁阻应力传感器电桥2可根据可变形基板1的应力变化进行氢气浓度测量。其中氢敏感层5吸附氢气会发生膨胀形变，氢敏感层5脱附氢气会发生收缩形变。可选，氢敏感层采用非Pd的储氢类金属或合金，能够和氢气反应形成氢化物，导致晶格常数增加，体积和长度增加，在和衬底形成薄膜结构时，能够在接触的衬底表面形成拉应力，并在未接触的衬底表面形成压应力。可选氢敏感层包括AB5、AB3、AB2、AB和A2B型金属间化合物中的至少一种，其中，A代表强金属氢化物形成元素，B代表过渡金属元素。可选A包括稀土金属、Ca、Mg、Zr或Ti，B包括Ni、Co、Fe、Mn或Cr。
如图1所示可选磁阻应力传感器电桥2可以位于可变形基板1的上表面。在其他实施例中还可选磁阻应力传感器电桥可以位于可变形基板的下表面，或者，在其他实施例中还可选磁阻应力传感器电桥同时分布在可变形基板的上表面和下表面。可以理解，无论磁阻应力传感器电桥设置在可变形基板的一侧表面上还是两侧表面上，磁阻应力传感器电桥上均依次层叠设置有电隔离层和磁屏蔽层。
可选磁阻应力传感器电桥2具有电传输端口组件7，电传输端口组件7与可变形基板1直接连接，密封胶8将电传输端口组件7密封在可变形基板7上。其中，可变形基板7包括衬底6，电传输端口组件7包括磁阻应力传感器电桥2的电源端口、地端口和输出端口等各个端口，电传输端口组件7位于衬底6上方，并被密封胶8的胶体密封。下文将通过公式推导和描述应力与氢气浓度的对应关系。
在氢气气氛中，氢敏感层5将吸收氢气并变成金属氢化物，其体积和长度将会膨胀或者伸长；在非氢气气氛中，氢敏感层5中的氢化物将释放氢气并还原成金属及合金，则氢敏感层5的体积和长度恢复原始状态。氢敏感层5吸附或脱附氢气的特性类似于材料的热胀冷缩，可以给氢敏感层5定义一个氢膨胀系数γ，该氢膨胀系数γ与氢敏感层5的关系类似于热膨胀系数与材料的关系，氢膨胀系数γ表征氢敏感层吸附或脱附氢气的特性，氢膨胀系数γ的表达式(1)为：
其中，L为氢敏感层的原长度，c为氢气浓度。显然，氢膨胀系数γ是氢气浓度c的函数，并与氢气浓度c呈正比。
图2和图3为氢敏感层的形变与可变形基板的应力分布示意图。可选可变形基板1为悬臂梁，悬臂梁1包括固定部1a和设置在固定部1a一侧的自由部1b，自由部1b的延伸方向为X轴方向，磁阻应力传感器电桥2设置在悬臂梁1的自由部1b。氢敏感层5和悬臂梁1形成双层结构，在此所述的双层是指氢敏感层5和悬臂梁1直接或间接形成双层结构，氢敏感层5的变形受到悬臂梁1的约束。
如图2所示，氢敏感层5位于悬臂梁1的上表面，氢敏感层5吸附氢气发生膨胀形变，导致悬臂梁1的自由部1b发生变形及悬臂梁1的截面11上内应力发生变化。悬臂梁1的自由部1b将产生向下的弯曲，并且悬臂梁1的上表面产生拉伸应力(也称拉应力)12，悬臂梁1的下表面产生压应力13，其中悬臂梁1内的10平面对应截面11中的0应变平面。
如图3所示，氢敏感层5位于悬臂梁1的下表面，氢敏感层5吸附氢气发生膨胀形变，导致悬臂梁1的自由部1b发生变形及悬臂梁1的截面11'上内应力发生变化。悬臂梁1的自由部1b将产生向上的弯曲，并且悬臂梁1的上表面产生压应力12'，悬臂梁1的下表面产生拉应力13'，其中悬臂梁1内的10'平面对应截面11'中的0应变平面。
其中，应力为σ，拉应力σ>0，压应力σ<0。拉应力可表征为氢敏感层对可变形基板表面的拉伸应力也可以表征为可变形基板表面对氢敏感层的拉伸应力，压应力可表征为氢敏感层对可变形基板表面的压缩应力也可以表征为可变形基板表面对氢敏感层的压缩应力。由于氢敏感层5变形受到悬臂梁1的约束，因此悬臂梁1在氢敏感层5中产生的应力σ可以用下式表示：
另一方面，氢敏感层5中的应力σ还可以根据氢膨胀系数γ表示如下：
其中Ef为氢敏感层的杨氏模量，Vf为氢敏感层泊松比。
因此，应力σ的大小与氢气浓度c成正比，磁阻应力传感器电桥通过测量应力σ的大小即可以得出氢气浓度的大小。
图4为氢敏感层的形变与可变形基板的应力分布示意图。可选可变形基板1为膜片组件，膜片组件包括框架61(3)和封装在框架61(3)中的膜片62(3)，磁阻应力传感器电桥设置在膜片62(3)上。可选磁阻应力传感器电桥位于膜片62(3)的上表面或者下表面，还可选磁阻应力传感器电桥同时位于膜片62(3)的上下表面，其中，磁阻应力传感器电桥包括多个磁电阻传感单元64(1)。对于膜片而言，在膜片62(3)上的膜层残余应力的作用下，镀有多膜层的膜片62(3)会发生挠曲，这种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者面轮廓仪还是能够测量到挠曲的曲率半径，膜片62(3)上挠曲的程度反映了多膜层残余应力的大小，其中，多膜层具体是指形成在膜片上的薄膜膜层的集合。同样，应力公式如下：
其中，ts和tf分别对应于膜层和膜片的厚度，r为曲率半径；E和v分别是膜片的弹性模量和泊松比。
同样，膜片上氢敏感层中的应力还正比于氢膨胀系数γ，其公式表示如下：
其中Ef为氢敏感层的杨氏模量，Vf为氢敏感层泊松比。
因此，应力σ的大小与氢气浓度c成正比，磁阻应力传感器电桥通过测量应力σ的大小即可以得出氢气浓度的大小。
如上所述，悬臂梁和膜片组件都是在衬底上涂敷氢敏感层，氢敏感层吸氢之后导致体积和长度发生伸缩形变，如此氢敏感层的应力变化受到衬底的约束，导致衬底产生应力和挠度的变化，因此应力在膜片和悬臂梁表面所产生的应力方向和大小具有类似的关系。可以理解，悬臂梁的衬底为梁主体，膜片组件的衬底为膜片。如上多附图所示，悬臂梁和膜片组件的差异在于，悬臂梁是具有一固定端，而膜片是四周固定。
本发明实施例中，提出一种基于电隔离的隧道磁阻应力敏感元件的氢气传感器，该氢气传感器包括可变形基板、位于可变形基板上的隧道磁阻应力传感器电桥、位于该TMR应力传感器电桥上的磁屏蔽层以及氢敏感层，氢敏感层用于吸附或脱附氢气而发生膨胀或收缩，从而引起可变形基板的应力的变化，磁阻应力传感器电桥采集到应力信号并将其转变成电信号，根据应力与氢气浓度的关系，实现对氢气浓度的测量。本实施例中，可变形基板可灵敏且实时的根据氢敏感层的变化而产生相应变化，提高了氢气传感器灵敏性和反应速率，并且测量方法简单，此外，电隔离层的设置可以实现氢气环境和磁阻应力传感器电桥之间的电隔离，从而保证了安全性，还能够应用在氢气浓度较大的环境中，提高测量范围。提高了氢气传感器的各项新能。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图5所示可变形基板的长度方向为X轴方向，可变形基板的宽度方向为Y轴方向，磁阻应力传感器电桥包括多个磁电阻传感单元，磁电阻传感单元包括平行于X-Y平面的多膜层堆叠结构2'，该多膜层2'至少包括依次堆叠的钉扎层2e、参考层2d、势垒层2c、自由层2b和偏置层2a。
参考图1，示出了悬臂梁的侧视图和固定部的正视图，其中，X轴方向与悬臂梁的长度方向平行，Y轴方向与悬臂梁的宽度方向即固定部的宽度方向平行，X-Y平面即为该X轴方向与Y轴方向构成的平面。具体的，可变形基板设置磁阻应力传感器电桥的表面为长条形时，例如可变形基板为悬臂梁，该长条形的长边方向为可变形基板的长度方向即X轴方向，该长条形的短边方向为可变形基板的宽度方向即Y轴方向。可变形基板设置磁阻应力传感器电桥的表面为正方形时，例如可变形基板为膜片组件，其中的膜片为正方形，该正方形的相邻两边分别为可变形基板的长度方向即X轴方向和宽度方向即Y轴方向。或者，磁阻应力传感器电桥设置在可变形基板的表面，磁阻应力传感器电桥中磁电阻传感单元的排布方向为可变形基板的长度方向即X轴方向，磁阻应力传感器电桥中磁电阻传感单元的延伸方向为可变形基板的宽度方向即Y轴方向。
图5示出了磁阻应力传感器电桥的膜层堆叠结构，参考层2d的磁化方向由钉扎层2e来决定，而自由层2b的偏置方向由偏置层2a来决定。可选自由层2b为磁滞伸缩材料如CoFeB、CoFe或NiFe材料，具有高正磁致伸缩系数(λs＝30ppm)。隧道磁阻TMR应力传感器的原理在于，利用自由层2b的磁致伸缩效应，在应力的作用下，使得自由层2b的磁矩产生旋转，从而使得自由层2b和参考层2e之间的夹角α发生改变，磁电阻传感单元的电阻与自由层2b和参考层2e之间的夹角α的相互关系为：
RAP和RP，R⊥分别代表φ＝0°，90°和180°的电阻值。
应力在自由层中所产生的偏转等效于一个外磁场Hσ：
其中，λs为磁致伸缩系数，Ms是饱和磁化强度，拉应力σ>0时，Hσ位于拉应力σ的方向上，压应力σ<0时，Hσ位于垂直于压应力σ的方向上。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选可变形基板具有沿Z轴方向上排布的第一表面和第二表面；磁阻应力传感器电桥为推挽桥式结构，磁阻应力传感器电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元；推磁电阻传感单元设置在第一表面上，挽磁电阻传感单元设置在第二表面上，推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元承受相同幅度且方向相反的应力。可选可变形基板为悬臂梁或膜片组件，在此所述的第一表面和第二表面均平行于X-Y平面，Z轴方向垂直于X-Y平面，其中，推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元位于可变形基板的相对的两个表面上，例如推磁电阻传感单元位于可变形基板的上表面以及挽磁电阻传感单元位于可变形基板的下表面，或者，推磁电阻传感单元位于可变形基板的下表面以及挽磁电阻传感单元位于可变形基板的上表面。在下文中详细描述基于两种可变形基板的氢气传感器的结构和工作原理。
图6为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁上的结构及应力分布图。氢敏感层5位于悬臂梁1的上表面，推磁电阻传感单元20和挽磁电阻传感单元21分别位于悬臂梁1的上方和下方，对应的电隔离层3(1)覆盖推磁电阻传感单元20的表面，电隔离层3(2)覆盖挽磁电阻传感单元21的表面，磁屏蔽层4(1)和4(2)分别位于推磁电阻传感单元20和挽磁电阻传感单元21的表面以上。
假设氢敏感层5的厚度df远小于悬臂梁1的厚度ds，则0应力平面10位于悬臂梁1的中间位置ds/2，则推磁电阻传感单元20和挽磁电阻传感单元21所受的应力大小相同，方向相反。可选推磁电阻传感单元20受到拉应力12且拉应力σ1>0，挽磁电阻传感单元21受到压应力13且压应力σ2<0，拉应力12和压应力13的方向相反且大小相同，即σ1＝-σ2。
在其他实施例中，还可选氢敏感层位于悬臂梁的下表面，或者，氢敏感层覆盖挽磁电阻传感单元的上方。
图7为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片上的结构及应力分布图。膜片组件包括外围框架(未标示)和外围框架限定的膜片1(21)。氢气传感器还包括位于膜片1(21)上的推磁电阻传感单元20(21)以及电隔离层3(21)，位于膜片1(21)下方的挽磁电阻传感单元21(21)以及电隔离层31(21)，以及位于推磁电阻传感单元20(21)上方的磁屏蔽层4(21)和位于挽磁电阻传感单元21(21)上方的磁屏蔽层41(21)，以及位于磁屏蔽层4(21)上的氢敏感层5(21)，此时氢敏感层5(21)在吸收氢气后发生体积膨胀或者伸长，膜片将发生向上弯曲。
假设氢敏感层的厚度远小于膜片的厚度，则0应力平面位于膜片的中间位置，则推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元所受的应力大小相同，方向相反。即σ1＝-σ2。
图8为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片上的结构及应力分布图。膜片组件包括外围框架(未标示)和外围框架限定的膜片1(23)。氢气传感器还包括位于膜片1(23)上的推磁电阻传感单元20(23)以及电隔离层3(23)，位于膜片1(23)下方的挽磁电阻传感单元21(23)以及电隔离层31(23)，以及位于推磁电阻传感单元20(23)上方的磁屏蔽层4(23)和位于挽磁电阻传感单元21(23)上方的磁屏蔽层41(23)，以及位于磁屏蔽层41(23)上的氢敏感层5(23)，此时氢敏感层5(23)在吸收氢气后发生体积膨胀或者伸长，膜片将发生向下弯曲。假设氢敏感层的厚度远小于膜片的厚度，则0应力平面位于膜片的中间位置，则推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元所受的应力大小相同，方向相反。即σ1＝-σ2。
可选推磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转或者同时逆时针旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩，挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为90-α或270-α；或者，推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同且旋转角度相同，挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为90+α或270+α；α取值0°到360°的范围内，其中，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。需要说明的是，本发明实施例中涉及角度的符号和数值，其单位均为度数°。
如图9A～9P所示为磁电阻传感单元的自由层处于不同起始磁矩角度时在拉压应力作用下的自由层磁矩旋转角度图。自由层的起始磁矩角度具体是指自由层的起始磁矩偏离Y轴(具体为+Y轴)的角度，承受应力之后，自由层的磁矩发生旋转。在此定义可变形基板的长度方向为X轴方向，定义可变形基板的宽度方向为Y轴方向，应力σ的轴向为X轴方向。
图9A中，自由层起始磁矩偏离Y轴α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9B中，自由层起始磁矩偏离Y轴α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9C中，自由层起始磁矩偏离Y轴90-α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9D中，自由层起始磁矩偏离Y轴90-α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9E中，自由层起始磁矩偏离Y轴90+α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9F中，自由层起始磁矩偏离Y轴90+α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9G中，自由层起始磁矩偏离Y轴180-α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9H中，自由层起始磁矩偏离Y轴180-α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9I中，自由层起始磁矩偏离Y轴180+α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9J中，自由层起始磁矩偏离Y轴180+α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9K中，自由层起始磁矩偏离Y轴270-α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9L中，自由层起始磁矩偏离Y轴270-α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9M中，自由层起始磁矩偏离Y轴270+α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β1。图9N中，自由层起始磁矩偏离Y轴270+α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9O中，自由层起始磁矩偏离Y轴360-α角度，在承受拉应力σ>0时，自由层磁矩旋转角度为β。图9P中，自由层起始磁矩偏离Y轴360-α角度，在承受压应力σ<0时，自由层磁矩旋转角度为β1。如上所述，可知承受拉压应力之后，自由层磁矩旋转且旋转的角度值分别为β和β1。其旋转角度的计算过程如下：
拉应力σ>0在坐标系中等效于沿X轴方向的等效磁场Hσ，压应力σ<0等效于沿Y方向的等效磁场Hσ。自由层磁矩Mf与Y轴成不同起始偏转角时，具有各向异性磁场Hk，不考虑退磁场及其他偏置磁场对自由层磁矩的作用，自由层磁矩旋转一定角度后具有各项异性磁场Hef，其中Hef为Hk和Hσ磁场的矢量和，Hef是自由层磁矩最终的磁矩取向。以图9A所示自由层磁矩旋转角度β且自由层起始磁矩偏转角度α为例进行计算如下：
以图9B所示自由层磁矩旋转角度β1且自由层起始磁矩偏转角度α为例进行计算如下：
由于磁电阻传感单元的自由层和钉扎层磁矩之间的夹角φ在起始时都为90°，而自由层磁矩旋转角度为±β或者±β1，因此：Φ＝90°±β；Φ＝90°±β；显然，一般情况下β1并不等于β。
图9A-图9P中给出的钉扎层磁矩Mr和自由层磁矩Mf的相对关系为：将自由层磁矩Mf逆时针旋转90°可以得到钉扎层磁矩Mr，将自由层磁矩逆时针旋转得到钉扎层磁矩定义为CCW(Counterclockwise)；相反，将自由层磁矩Mf顺时针旋转90°可以得到钉扎层磁矩Mr，将自由层磁矩顺时针旋转得到钉扎层磁矩定义为CW(clockwise)。
表1列出了自由层磁矩处于不同起始偏转角时，自由层磁矩在拉应力和压应力情况下的自由层旋转磁矩，其中+代表自由层和钉扎层夹角增加，-代表自由层和钉扎层夹角减小。由表1可以看出，同一自由层起始偏转角，拉应力(σ>0)和压应力(σ<0)条件下，其自由层旋转角度幅度不同，分别为β1和β，或者β和β1，此外，其方向也不一样，分别为+和-，或者为-和+。表1如下：
图10A-图10D为自由层起始磁矩角度和旋转角度在拉应力和压应力作用下的圆周分布图，其中β表征为实心圈，+β表征为实心圈中为+，-β表征为实心圈中为-；β1表征为空心圈，+β1表征为空心圈中为+，-β1表征为空心圈中为-。xxx no代表该处角度位置无效，内圈代表拉应力(σ>0)，外圈代表压应力(σ<0)，箭头代表自由层磁矩Mf在悬臂梁上的起始磁矩角度取向。
图10A为图9A-图9P中所代表的内圈TMR/外圈TMR＝CCWσ>0/CCWσ<0，图10B为图9A-图9P中所代表的内圈TMR/外圈TMR＝CWσ>0/CWσ<0，图10C为图9A-图9P中所代表的内圈TMR/外圈TMR＝CCWσ>0/CWσ<0，图10D为图9A-图9P中所代表的内圈TMR/外圈TMR＝CWσ>0/CCWσ<0。
图6所示的氢气传感器结构，在拉应力σ>0和压应力σ<0的作用下推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的应力大小相同且方向相反，则推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的自由层和钉扎层的夹角变化值具有大小相等方向相反的特点。即要求推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β，挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度为-β；或者，推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β1，挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度为-β1。结合图10A-图10D的圆周分布图，则要求内圈和外圈中分别找到对应的+β和-β符号，或者找到+β1和-β1符号。
图6所示推挽式电桥结构，对应CCW/CCW和CW/CW结构即推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转或者同时逆时针旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩，其所对应的推臂和挽臂的起始磁矩角度关系如下所示。
参考图10A所示，推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β，则查看其内圈，+β所对应的角度包括α和180+α；此时要求挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度应为-β，则查看其外圈，-β所对应的角度包括90-α和270-α。参考图10B所示，推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β，则查看其内圈，+β所对应的角度包括360-α和180-α；此时要求挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度应为-β，则查看其外圈，-β所对应的角度包括90+α和270+α。
参考图10A所示，推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β1，则查看其内圈，+β1所对应的角度包括90-α和270-α；此时要求挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度应为-β1，则查看其外圈，-β1所对应的角度包括α和180+α。参考图10B所示，推磁电阻传感单元在拉应力σ>0时自由层旋转角度为+β1，则查看其内圈，+β1所对应的角度包括90+α和270+α；此时要求挽磁电阻传感单元在压应力σ<0时自由层旋转角度应为-β1，则查看其外圈，-β1所对应的角度包括360-α和180-α。
CCW/CCW和CW/CW结构推挽式磁电阻传感器电桥结构所对应的推臂和挽臂的起始磁矩角度关系如表2所示，对于CCWσ>0/CCWσ<0或者CWσ>0/CWσ<0两种TMR组态，当自由层旋转角度为+β和-β，或者为+β1和-β1时，对于任一推臂起始磁矩角度α，存在挽臂90-α和270-α与其对应。表2如下：
类似的，图6所示推挽式电桥结构，对应CCW/CW和CW/CCW结构即推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同但旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩，其所对应的推臂和挽臂的起始磁矩角度关系参考图10C和图10D，得到表3内容。其中，对于CCWσ>0/CWσ<0或者CWσ>0/CCWσ<0两种TMR组态，当自由层旋转角度为+β和-β，或者为+β1和-β1时，对于任一推臂起始磁矩角度α，存在挽臂90+α和270+α与其对应。表3如下：
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选可变形基板具有沿Z轴方向上排布的第一表面和第二表面；磁阻应力传感器电桥为推挽桥式结构，磁阻应力传感器电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元；推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元同时设置在第一表面上或者同时设置在第二表面上，推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元承受相同幅度且方向相同的应力。可选可变形基板为悬臂梁或膜片组件，在此所述的第一表面和第二表面均为X-Y平面，Z轴方向垂直于X-Y平面，其中，推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元位于可变形基板的同一表面上，例如推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元均位于可变形基板的下表面，或者，同时位于可变形基板的上表面。
图11为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁上的结构及应力分布图。其中，推磁电阻传感单元20(11)和挽磁电阻传感单元20(12)均位于悬臂梁1(11)的上表面，并通过电隔离层3(11)覆盖于表面进行隔离，磁屏蔽层4(11)位于推磁电阻传感单元20(11)和挽磁电阻传感单元20(12)的上方用于屏蔽外磁场影响，氢敏感层5(11)位于最上方以便直接和氢气进行反应，10(11)为悬臂梁1(11)的0应变平面。氢敏感层5(11)形变会使悬臂梁1(11)产生向下的弯曲，并在推磁电阻传感单元20(11)和挽磁电阻传感单元20(12)中均将产生拉应力12(11)σ>0。
图12为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁上的结构及应力分布图。其中，推磁电阻传感单元21(12)和挽磁电阻传感单元210(12)均位于悬臂梁1(12)的下表面，并通过电隔离层3(12)覆盖于表面进行隔离，磁屏蔽层4(12)位于推挽磁电阻传感单元21(12)和210(12)下方用于屏蔽外磁场影响，氢敏感层5(12)位于悬臂梁1(12)上表面以便直接和氢气进行反应，10(11)为悬臂梁0应变平面。悬臂梁将产生向下的弯曲并在推磁电阻传感单元20(11)和挽磁电阻传感单元20(12)中均将产生压应力13(12)σ<0。
图13为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片上的结构及应力分布图。其中，包括膜片1(20)，位于膜片1(20)上的推磁电阻传感单元20(20)以及挽磁电阻传感单元21(20)，以及电隔离层3(20)，位于推磁电阻传感单元20(20)和挽磁电阻传感单元21(20)上方的磁屏蔽层4(20)，以及位于最上层的氢敏感层5(20)，此时氢敏感层5(20)在吸收氢气后发生体积膨胀或者伸长，此时膜片将发生向上弯曲。
图14为推挽式磁阻应力传感器电桥及其在膜片上的结构及应力分布图。其中，包括膜片1(22)，位于膜片1(22)上的推磁电阻传感单元20(22)以及挽磁电阻传感单元21(22)，以及电隔离层3(22)，位于推磁电阻传感单元20(22)和挽磁电阻传感单元21(22)上方的磁屏蔽层4(22)，以及位于最下层的氢敏感层5(22)，此时氢敏感层5(22)在吸收氢气后发生体积膨胀或者伸长，膜片将发生向下弯曲。
可选的，推磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转90°或者同时逆时针旋转90°得到对应的钉扎层磁矩，挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为180-α或360-α；或者，
推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同且旋转角度相同，挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α或180+α；α取值0°到360°的范围内，其中，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。
参考图15A-图15F为图11-图14所示氢气传感器的自由层起始磁矩角度和旋转角度在拉应力或压应力作用下的圆周分布图。图15A为CCWσ>0/CCWσ>0组态，图15B为CWσ>0/CWσ>0组态，图15C为CCWσ<0/CCWσ<0组态，图15D为CWσ<0/CWσ<0组态。其中，推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转90°或者同时逆时针旋转90°得到对应的钉扎层磁矩。图15E为CWσ>0/CCWσ>0组态，图15F为CCWσ<0/CWσ<0组态。其中，推磁电阻传感单元的自由层磁矩和挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同且旋转角度相同。其圆周分布过程的分析方式与图9A-图9P类似，在此不再赘述。
表4为对应CCWσ>0/CCWσ>0，CWσ>0/CWσ>0，CCWσ<0/CCWσ<0，CWσ<0/CWσ<0四种组态的推挽式磁阻应力传感器电桥所对应的推臂和挽臂的起始磁矩角度关系表，当自由层旋转角度为+β和-β，或者为+β1和-β1时，对于任一推臂起始磁矩角度α，存在挽臂起始磁矩角度180-α和360-α与其对应。表4如下：
表5为对应CWσ>0/CCWσ>0，CCWσ<0/CWσ<0两种组态的推挽式磁电阻传感器电桥结构二所对应的推臂和挽臂的起始磁矩角度关系表，当自由层旋转角度为+β和-β，或者为+β1和-β1时，对于任一推磁电阻传感单元起始磁矩角度α，存在挽磁电阻传感单元起始磁矩角度α和180+α与其对应。表5如下：
需要指出的是，在以上图示中，推磁电阻传感单元的自由层的起始磁矩角度α可以为0-360°范围内的任一角度，而挽磁电阻传感单元的自由层的起始磁矩角度如果超过360°，则可以通过减去360°的周期使得其值回到0-360°范围内，此外，对于拉应力σ>0，α≠90°和270°，对于压应力σ<0，α≠0°和180°。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选氢气传感器还包括：与氢敏感层同层的非氢敏感层；可变形基板包括悬臂梁或膜片组件；悬臂梁包括固定部以及设置在固定部两侧的参考悬臂梁和敏感悬臂梁，参考悬臂梁上设置有参考区域，敏感悬臂梁上设置有敏感区域；或者，膜片组件包括封装在框架中的参考膜片和敏感膜片，参考膜片上设置有参考区域，敏感膜片上设置有敏感区域；氢敏感层设置在位于敏感区域的磁屏蔽层上，非氢敏感层设置在位于参考区域的磁屏蔽层上。在此磁阻应力传感器电桥设置在可变形基板的同一侧表面，例如设置在上表面，在其他实施例中还可选设置在下表面。
可选可变形基板的参考区域和敏感区域位于同一平面；磁阻应力传感器电桥为参考桥式结构，磁阻应力传感器电桥包括参考磁电阻传感单元和敏感磁电阻传感单元；参考磁电阻传感单元设置在参考区域，敏感磁电阻传感单元设置在敏感区域。在此参考磁电阻传感单元和敏感磁电阻传感单元设置在可变形基板的同一侧表面，例如均设置在上表面或均设置在下表面。
如图16所示为参考桥式磁阻应力传感器电桥及其在悬臂梁上结构及应力分布图。该可变形基板包括两个悬梁，分别为敏感悬臂梁1(14)和参考悬臂梁1(15)，敏感磁电阻传感单元30(14)位于参考悬臂梁1(14)表面，参考磁电阻传感单元30(15)位于参考悬臂梁1(15)表面，电隔离层3(14)和3(15)分别位于敏感磁电阻传感单元30(14)和参考磁电阻传感单元30(15)表面，此外，氢敏感层5(14)和非氢敏感层5’(15)分别位于敏感悬臂梁1(14)和参考悬臂梁1(15)的顶层。氢敏感层5(14)遇到氢气将会发生尺寸变化，产生应力σ1，而非氢敏感层5’(15)不会发生变化，因此，两者构成参考桥式磁阻应力传感器电桥的敏感桥臂和参考桥臂。
图17为参考桥式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件上的结构及应力分布图。可变形基板包括：敏感膜片62(1)和参考膜片62(2)，其中敏感膜片62(1)四周位于衬底框架61(1)上，参考膜片62(2)四周位于衬底框架61(2)上，敏感磁电阻传感单元63(1)位于敏感膜片62(1)上，参考磁电阻传感单元63(2)位于参考膜片62(2)上，敏感磁电阻传感单元63(1)和参考磁电阻传感单元63(2)电连接成参考桥式隧道磁阻应力传感器电桥。
图18为参考桥式磁阻应力传感器电桥及其在膜片组件上的结构的侧视图。其中，包括参考膜片1(17)，敏感膜片1(16)，以及位于参考膜片1(17)上的参考磁电阻传感单元20(16)，以及位于敏感膜片1(16)上的敏感磁电阻传感单元20(17)，以及电隔离层3(16)覆盖于参考磁电阻传感单元20(16)之间，以及电隔离层3(17)覆盖于敏感磁电阻传感单元20(17)之间，以及位于磁电阻传感单元20(16)和20(17)之上的磁屏蔽层4(16)和4(17)，以及位于最上方的氢敏感层5(16)和非氢敏感层5(17)，其中参考膜片1(16)和敏感膜片1(17)，磁屏蔽层4(16)和4(17)，电隔离层3(16)和3(17)为同层连续材料，而氢敏感层5(16)和非氢敏感层5(17)为同层但相互不连续的材料。
当氢气传感器暴置在空气中时，氢敏感层5(16)吸收氢气发生膨胀，但是受到敏感膜片1(16)的约束，从而膜片发生弯曲，此时敏感磁电阻传感单元20(16)感受压应力，当氢敏感层位于膜片的上方时，膜片向下弯曲，敏感磁电阻传感单元20(17)感受拉应力，当氢敏感层位于膜片的下方时，膜片向上弯曲，而非氢敏感层5(17)则不受氢气影响，不发生弯曲，感受本征应力。
可选的，参考磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α，敏感磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；参考磁电阻传感单元的自由层磁矩和敏感磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转或者同时逆时针旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩；α取值0°到360°的范围内，其中，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。
图19A-图19D为自由层起始磁矩角度和旋转角度在参考拉应力或参考压应力作用下的圆周分布图，由于隧道磁阻传感单元也有可能带来额外的应力，因此，参考磁电阻传感单元30(15)层中的残余应力近似为0，即σ≈0。参考磁电阻传感单元30(15)要选择与敏感磁电阻传感单元30(14)具有完全相同的位置和磁矩取向关系，以尽可能的消除残余应力的影响。基于此，敏感磁电阻传感单元/参考磁电阻传感单元的自由层起始磁矩角度取向如下：
图19A为CCWσ>0/CCWσ≈0，图19B为CCWσ<0/CCWσ≈0，图19C为CWσ>0/CWσ≈0，图19D为CWσ<0/CWσ≈0，因此敏感磁电阻传感单元和参考磁电阻传感单元的自由层取向可以为：在拉应力σ>0情况下，其自由层起始磁矩角度α≠0°和180°，在压应力σ<0情况下，其自由层起始磁矩角度α≠90°和270°。
对于上述实施例所述的推挽式磁阻应力传感器电桥，其结构如图20A-图20B所示，其中图20A为推挽式半桥结构磁阻应力传感器电桥，图20B为推挽式全桥结构磁阻应力传感器电桥。推磁电阻传感单元20和挽磁电阻传感单元21分别构成磁阻应力传感器电桥的推臂和挽臂。
对于上述实施例所述的参考式磁阻应力传感器电桥，其结构如图20C-图20D所示，其中图20C为参考式半桥结构磁阻应力传感器电桥，图20D为参考式全桥结构磁阻应力传感器电桥。敏感磁电阻传感单元30(14)和参考磁电阻传感单元30(15)分别构成磁阻应力传感器电桥的敏感臂和参考臂。
对于磁阻应力传感器电桥，可选磁屏蔽层为软磁屏蔽层，其组成材料包含Co、Fe、Ni的软磁合金材料。可选电隔离层为光刻胶、Al2O3、SiN、SiO2或者SiC。可选氢敏感层为AB5，AB3，AB2，AB和A2B型金属间化合物，其中A代表强金属氢化物形成元素，比如稀土金属、Ca、Mg、Zr或Ti，B代表过渡金属Ni、Co、Fe、Mn和Cr。
AB5合金包括LaNi5,RNi5,R为稀土金属；MmNi5，Mm为稀土混合物，包括48-50％Ce，32-34％La，13-14％Nd，4-5％Pr，1.5％其他稀土元素；富La的Mm称为Lm或者M1，典型Lm包括48％La，25％Ce，6％Pr，21％Nd和0.3％其他稀土元素；CaNi5；置换型AB5多元素合金，AB5中的A和B局部被其他金属置换，A中稀土金属相互置换，如CeNi5,PrNi5,NdNi5置换LaNi5，稀土金属和Ca互相置换，如Mm1-xCaxNi5，Mm可以部分被Ti，Zr，B，Cu置换，ANi5中Ni原子部分被其他元素置换，如Co，Mn，Al，Cr，Fe，Cu，Tin，Si，B等。
AB2金属间化合物合金包括：二元AB2合金，如Zr基AB2laves合金ZrM2(M＝V，Cr，Mn，Fe，Co，Mo)；三元和多元AB2合金，用其他元素如Fe，Co，Ni，Al或Cu部分置换Cr，V或Mn，如Zr(FexCr1-x)2，Zr(Fe0.75Cr0.25)2，Zr(FexMn1-x)2(x＝0-0.8)，Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5，Ti0.9Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4，Ti1+xCr2-yMny(x＝0.1-0.3，y＝0-1.0)，TixCr2-yVy(x＝1.1-1.3，y＝0.5-1.0)。
AB合金包括：TiFe，TiCo，ZrNi；置换型AB合金，TiFe部分被过渡元素，如Mn，Cr，V，Co，Ni，Mo以及Cu等置换，TiFe1-xMnx(x＝0.1-0.3)，TiFe0.8MnyAz(A＝Zr，Al)，TiFe1-xNiyAz(A＝Al，Co，Cr，La，Mn，Mo，Nb，V，Zr)。
氢敏感层还包括Mg基合金，如Mg2Ni，Mg2Cu，La2Mg17，Mg-稀土合金：LnMg12(Ln＝La，Ce，Mm)，Ln2Mg17(Ln＝La，Ce)，Ln5Mg41(Ln＝Ce)，其他二元Mg合金：Mg17Ba，Mg3Cd，Mg3Sb2，MgSn，MgZn，Mg2Pb，Mg2Ca，Mg2Sn，Mg2Si，MgLi，置换型Mg基合金：Mg2Ni，Mg2Cu，Mg2Ni0.75M0.25(M＝V，Cr，Fe，Co，Zn)。
氢敏感层还包括V和V基本合金：V-Ti-M(M＝Fe，Cr，Mn，Ge)，如(V0.9Ti0.1)1-xFex(x＝0-0.075)，Ti-V-Mn，Ti-V-Cr，V-Ti-Ni。
需要指出的是，以上TMR应力敏感元件的自由层为正磁致伸缩系数λs>0，包括：CoFeB，CoFe，NiFe高磁致伸缩材料。实际上自由层还可以为负磁致伸缩系数λs<0，其区别仅在于λs<0，σ>0等效于λs>0，σ<0；λs<0，σ<0等效于λs>0，σ>0。对于推挽式磁电阻传感单元电桥的同相位CCW/CCW、CW/CW或者不同相位CCW/CW、CW/CCW以及参考磁电阻传感单元电桥的同相位CCW/CCW和CW/CW是磁电阻传感单元之间的起始相位关系没有影响，其差别在于λs>0时，承受拉应力σ>0的磁电阻传感单元起始角度不为0或180°，承受压应力σ<0的磁电阻传感单元起始角度不为90或270°。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (13)
1.一种基于电隔离磁阻应力敏感元件的氢气传感器，其特征在于，包括：
可变形基板；
位于所述可变形基板上的磁阻应力传感器电桥、覆盖所述磁阻应力传感器电桥的电隔离层以及位于所述电隔离层上的磁屏蔽层；
位于所述可变形基板上方的氢敏感层，所述氢敏感层在所述可变形基板所在平面的正投影覆盖所述电隔离层，所述氢敏感层用于吸附或脱附氢气以发生膨胀或收缩形变并引起所述可变形基板的应力变化，所述磁阻应力传感器电桥用于根据所述可变形基板的应力变化进行氢气浓度测量。
2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述可变形基板为悬臂梁；或者，
所述可变形基板为膜片组件，所述膜片组件包括框架和封装在所述框架中的膜片，所述磁阻应力传感器电桥设置在所述膜片上。
3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述可变形基板的长度方向为X轴方向，所述可变形基板的宽度方向为Y轴方向，所述磁阻应力传感器电桥包括多个磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元包括平行于X-Y平面的多膜层堆叠结构，该多膜层至少包括依次堆叠的钉扎层、参考层、势垒层、自由层和偏置层。
4.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述可变形基板具有沿Z轴方向上排布的第一表面和第二表面；
所述磁阻应力传感器电桥为推挽桥式结构，所述磁阻应力传感器电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元；
所述推磁电阻传感单元设置在所述第一表面上，所述挽磁电阻传感单元设置在所述第二表面上，所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元承受相同幅度且方向相反的应力。
5.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，所述推磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；
所述推磁电阻传感单元的自由层磁矩和所述挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转或者同时逆时针旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩，所述挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为90-α或270-α；或者，
所述推磁电阻传感单元的自由层磁矩和所述挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同且旋转角度相同，所述挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为90+α或270+α；
α取值0°到360°的范围内，
其中，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。
6.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述可变形基板具有沿Z轴方向上排布的第一表面和第二表面；
所述磁阻应力传感器电桥为推挽桥式结构，所述磁阻应力传感器电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元；
所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元同时设置在所述第一表面上或者同时设置在所述第二表面上，所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元承受相同幅度且方向相同的应力。
7.根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于，所述推磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；
所述推磁电阻传感单元的自由层磁矩和所述挽磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转90°或者同时逆时针旋转90°得到对应的钉扎层磁矩，所述挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为180-α或360-α；或者，
所述推磁电阻传感单元的自由层磁矩和所述挽磁电阻传感单元的自由层磁矩的旋转方向不同且旋转角度相同，所述挽磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α或180+α；
α取值0°到360°的范围内，
其中，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。
8.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，还包括：与所述氢敏感层同层的非氢敏感层；
所述悬臂梁包括固定部以及设置在所述固定部两侧的参考悬臂梁和敏感悬臂梁，所述参考悬臂梁上设置有参考区域，所述敏感悬臂梁上设置有敏感区域；或者，
所述膜片组件包括封装在所述框架中的参考膜片和敏感膜片，所述参考膜片上设置有参考区域，所述敏感膜片上设置有敏感区域；
所述氢敏感层设置在位于所述敏感区域的所述磁屏蔽层上，所述非氢敏感层设置在位于所述参考区域的所述磁屏蔽层上。
9.根据权利要求8所述的氢气传感器，其特征在于，
所述可变形基板的参考区域和敏感区域位于同一平面；
所述磁阻应力传感器电桥为参考桥式结构，所述磁阻应力传感器电桥包括参考磁电阻传感单元和敏感磁电阻传感单元；
所述参考磁电阻传感单元设置在所述参考区域，所述敏感磁电阻传感单元设置在所述敏感区域。
10.根据权利要求9所述的氢气传感器，其特征在于，所述参考磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α，所述敏感磁电阻传感单元的自由层起始磁矩偏离Y轴的角度为α；
所述参考磁电阻传感单元的自由层磁矩和所述敏感磁电阻传感单元的自由层磁矩同时顺时针旋转或者同时逆时针旋转相同角度得到对应的钉扎层磁矩；
α取值0°到360°的范围内，
其中，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受拉应力或者采用具有负磁致伸缩系数的材料且承受压应力时α不为0°或者180°，所述自由层采用具有正磁致伸缩系数的材料且承受压应力或者采用具有负致伸缩系数的材料且承受拉应力时α不为90°或者270°。
11.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述磁阻应力传感器电桥具有电传输端口组件，所述电传输端口组件与所述可变形基板直接连接，密封胶将所述电传输端口组件密封在所述可变形基板上。
12.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏感层包括AB5、AB3、AB2、AB和A2B型金属间化合物中的至少一种，其中，A代表强金属氢化物形成元素，B代表过渡金属元素。
13.根据权利要求12所述的氢气传感器，其特征在于，所述A包括稀土金属、Ca、Mg、Zr或Ti，所述B包括Ni、Co、Fe、Mn或Cr。
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