CN117177654B - 一种磁阻元件及其制备方法、电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁阻元件及其制备方法、电子设备，该磁阻元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及处理电路；第一磁阻元件具有第一电阻传递函数；第二磁阻元件具有相对于第一电阻传递函数反转的第二电阻传递函数；处理电路与第一磁阻元件和第二磁阻元件电耦接，其被配置成产生差分输出信号；第一磁阻元件包括相互电耦接的第一磁传感元件和第二磁传感元件，第一磁传感元件具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应；第二磁传感元件具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性响应；第一磁场范围与第二磁场范围至少部分不重合。本发明的磁阻元件用于磁场测量，对外部磁场实现了分段线性响应，在具有较宽的线性响应范围同时，还具有较好的灵敏度。

Description

一种磁阻元件及其制备方法、电子设备

技术领域

本申请涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁阻元件及其制备方法、电子设备。

背景技术

隧穿磁电阻(TMR)传感器具有高灵敏度、温度稳定性和低功耗等优点，受到精密检测等高端领域的广泛关注，有良好的应用前景，吸引了一批磁传感器厂家进行开发和研制，但是其依然无法克服磁阻传感器普遍存在的磁场响应范围窄的缺陷。

磁阻传感器的有效磁场响应范围又称线性工作范围，是由磁阻传感器的磁阻随外磁场大小变化这一物理效应所决定的。在一定的低磁场范围内，隧道结的磁阻随外磁场大小呈现线性变化关系(即有效工作范围)，但当磁场继续增大时，磁阻大小逐渐趋于饱和，而不能够较好的响应磁场的变化，从而限制了传感器的灵敏度。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种磁阻元件及其制备方法、电子设备，旨在克服现有技术中存在的以上问题，提供一种灵敏度高、线性范围宽的磁阻元件及电子设备。

为实现上述目的，本申请提供一种磁阻元件，所述磁阻元件包括：

第一磁阻元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号，具有第一电阻传递函数；

第二磁阻元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号，具有相对于所述第一电阻传递函数反转的第二电阻传递函数；

处理电路，其电耦接到所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件，被配置成产生所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差分输出信号；

其中，所述第一磁阻元件包括：

第一磁传感元件，具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，其第一感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；

与所述第一磁传感元件电耦接的第二磁传感元件，具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性响应，其第二感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；所述第二磁场范围与所述第一磁场范围至少部分不重合；所述第二感测层与所述第一感测层具有不同的磁活性面积或长短轴比值。

在一实施例中，在外部磁场为-x1至+x2范围时，所述差分输出信号与外部磁场的值呈第三线性变化；其中，x1，x2为大于零的数；

在外部磁场为+x2至+y2范围或-y1至-x1范围时，所述差分输出信号与外部磁场的值呈第四线性变化；其中，y2为大于x2的数，y1为大于x1的数。

在一实施例中，所述第一磁阻元件包括至少一个所述第一磁传感元件及至少一个所述第二磁传感元件；各所述第一磁传感元件与各所述第二磁传感元件分别通过串联或并联实现电耦接。

在一实施例中，所述第一磁阻元件包括至少一个所述第一磁传感元件及至少一个所述第二磁传感元件以及至少1种第三磁传感元件；所述至少1种第三磁传感元件中各第三磁传感元件具有与所述第一磁传感元件或所述第二磁传感元件不同的线性磁场范围。

在一实施例中，所述第一感测层与所述第二感测层的灵敏轴方向平行；

所述第一感测层或所述第二感测层具有闭合通量磁化图案时，其长轴平行于其灵敏轴方向，其长短轴比值为1~2，其厚度为30nm~500nm，其长轴为1μm~20μm；

所述第一感测层或所述第二感测层具有非闭合通量磁化图案时，其长轴平行或垂直于其灵敏轴方向，其厚度小于200nm。

在一实施例中，所述第一感测层与所述第二感测层同时具有闭合通量磁化图案；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的厚度以及较大的直径或较小的短轴长度时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围。

在一实施例中，所述第一感测层与所述第二感测层同时具有非闭合通量磁化图案；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的磁活性面积以及较低的长短轴比值时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的短轴比值以及较大的磁活性面积时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围。

在一实施例中，所述第一感测层或所述第二感测层具有非闭合磁化图案时，所述第一磁传感元件或所述第二磁传感元件具有第一磁堆叠结构或第二磁堆叠结构；

所述第一磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层以及感测层，所述感测层的形状各向异性场大于其磁晶各向异性场，所述感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向；

所述第二磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层、感测层以及第二钉扎层，所述感测层被所述第二钉扎层弱钉扎，所述感测层的钉扎方向垂直于所述参考层，所述感测层的长轴平行或垂直于其灵敏轴方向。

在一实施例中，所述第一磁传感元件与所述第二磁传感元件为隧道磁阻元件；

所述第一磁阻元件与所述第二磁阻元件电耦接形成惠斯通半桥或全桥结构。

为实现上述目的，本申请还提供了一种磁阻元件的制备方法，所述磁阻元件为上述任一项所述的磁阻元件，所述磁阻元件中第一磁阻元件的制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、隧穿层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第一磁堆叠；

对所述第一磁堆叠进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第一磁堆叠进行流片，得到所述第一磁阻元件。

为实现上述目的，本申请还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的磁阻元件；或采用上述的制备方法所制得的磁阻元件；

所述电子设备用于磁场感测、电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度感测或接近感测中的至少一种。

本申请提供的一种磁阻元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及处理电路；所述第一磁阻元件被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号，具有第一电阻传递函数；所述第二磁阻元件被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号，具有相对于所述第一电阻传递函数反转的第二电阻传递函数；处理电路电耦接到所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件，被配置成产生所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差分输出信号；所述第一磁阻元件包括相互电耦接的第一磁传感元件和第二磁传感元件，所述第一磁传感元件具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，其第一感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；所述第二磁传感元件具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性响应，其第二感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；所述第二磁场范围与所述第一磁场范围至少部分不重合；所述第二感测层与所述第一感测层具有不同的磁活性面积或长短轴比值。本申请的磁阻元件用于磁场测量，在不同的外部磁场下实现了分段线性响应，扩大了磁阻元件的线性响应范围，且具有较好的灵敏度。

附图说明

图1为本申请一实施例中磁阻元件的响应特性的曲线图；

图2为本申请一实施例中磁阻元件及现有技术磁阻元件的响应特性的对比曲线图；

图3为本申请一实施例中磁阻元件的结构示意图。

附图标号说明

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

隧穿磁电阻(TMR)传感器具有高灵敏度、温度稳定性和低功耗等优点，受到精密检测等高端领域的广泛关注，有良好的应用前景，吸引了一批磁传感器厂家进行开发和研制，但是其依然无法克服磁阻传感器普遍存在的磁场响应范围窄的缺陷。

磁阻传感器的有效磁场响应范围又称线性工作范围，是由磁阻传感器中的磁电阻效应随外磁场大小变化这一物理效应所决定的。在一定的低磁场范围内，隧道结的磁阻随外磁场大小呈现线性变化关系(即有效工作范围)，但当磁场继续增大时，磁阻大小逐渐趋于饱和，而不能够较好的响应磁场的变化，从而限制了传感器的灵敏度。

因此，本申请实施例提供一种灵敏度高且线性范围宽的磁阻元件，以改善现有磁阻传感器线性范围窄、灵敏度不高的技术问题。

如图3所示，本申请实施例所提供的磁阻元件包括第一磁阻元件10、第二磁阻元件20以及处理电路30。第一磁阻元件10被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号，具有第一电阻传递函数；第二磁阻元件20被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号，具有相对于第一电阻传递函数反转的第二电阻传递函数；处理电路30电耦接到第一磁阻元件和第二磁阻元件，被配置成产生第一输出信号与第二输出信号之间的差分输出信号。该第一磁阻元件10包括第一磁传感元件11和第二磁传感元件12，第一磁传感元件11与第二磁传感元件12电耦接。第一磁传感元件11具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，第二磁传感元件12具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性响应；第二磁场范围与第一磁场范围至少部分不重合；第一磁传感元件11的第一感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；第二磁传感元件12的第二感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；第二感测层与第一感测层具有不同的磁活性面积或长短轴比值。

如图1所示，第一磁传感元件11具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性的响应（图1中A对应的曲线），其第一感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；第二磁传感元件12具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性的响应（图1中B对应的曲线），其第二感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；第一磁场范围与第二磁场范围至少部分不重合。该磁阻元件具有对应于第三磁场范围的分段线性响应（图1中C对应的曲线），该第三磁场范围所覆盖的磁场超出第一磁场范围和第二磁场范围中的任一个。

本申请实施例中，磁阻元件具有覆盖第一磁场范围和第二磁场范围的线性响应区域，同时实现了提高灵敏度及宽线性响应范围的技术效果。

本申请实施例中，第一磁阻元件10与第二磁阻元件20的电阻传递函数呈反转关系，在相同外磁场下，其输出的电阻呈完全相反的反馈。第一磁阻元件10与第二磁阻元件20可组成惠斯通半桥或惠斯通全桥结构。

本申请实施例中，第一磁阻元件10与第二磁阻元件20可具有相同或不同的磁堆叠结构。第一磁阻元件10与第二磁阻元件20具有相同结构时，第一磁阻元件10可相对第二磁阻元件旋转180度配置。第一磁阻元件10与第二磁阻元件20的具体结构此处不做限定。

本申请实施例中，第一磁阻元件10中的第一磁传感元件11与第二磁传感元件12具有在外部磁场下具有不同的线性响应，其灵敏度值不同，线性响应的磁场范围不完全相同。磁阻元件在不同磁场的响应函数与第一磁场范围、第二磁场范围、第一线性响应以及第二线性响应有关。

本申请实施例中，处理电路30的功能不限于输出第一输出信号与第二输出信号的差分输出信号，其还包括对差分输出信号进行放大处理等。此处不做具体限定。

本申请实施例中，第一磁传感元件与第二磁传感元件电耦接方式可以为串联或并联。

在本申请实施例中，第一磁传感元件与第二磁传感元件的数量不限于1个，可以为1个或1个以上。各第一磁传感元件与各第二磁传感元件经串联或并联实现电耦接。

在本申请的一些实施例中，多个第一磁传感元件经串联耦接后形成第一磁传感元件串，多个第二磁传感元件经串联耦接形成第二磁传感元件串，第一磁传感元件串与第二磁传感元件串经串联连接实现电耦接。

在本申请的一些实施例中，多个第一磁传感元件经并联耦接后形成第一磁传感元件组，多个第二磁传感元件经并联耦接形成第二磁传感元件组，第一磁传感元件组与第二磁传感元件组经串联或并联连接实现电耦接。

需要说明的是，各第一磁传感元件与各第二磁传感元件通过串联或并联实现电连接，其电耦接方式不限于以上方式。

在本申请的一些实施例中，第一磁阻元件除了至少一个第一磁传感元件、至少一个第二磁传感元件，还包括至少1种第三磁传感元件；该至少一种第三磁传感元件中各第三磁传感元件具有与第一磁传感元件或第二磁传感元件不同的线性磁场范围。该至少1种第三磁传感元件中各第三磁传感元件的数量至少一个。

需要说明的是，由于该至少一种第三磁传感元件的加入，本申请实施例中经电耦接形成的电阻元件可具有多个分阶段的线性响应磁场，进一步的扩大电阻元件的线性响应范围。随着线性响应磁场的增大，磁阻元件的灵敏度呈逐渐减小趋势，可应用于对磁场灵敏度要求不高的场景。此处不对第三磁传感元件的种类及数量进行限定。

在本申请的一实施例中，在外部磁场为-x1至+x2范围时，差分输出信号与外部磁场的值呈第三线性变化；其中，x1，x2为大于零的数；在外部磁场为+x2至+y2范围时，差分输出信号与外部磁场的值呈第四线性变化；其中，y2为大于x2的数；在外部磁场为-y1至-x1范围时，差分输出信号与外部磁场的值呈第五线性变化；其中，y1为大于x1的数。

需要说明的是，该第三线性变化、第四线性变化的值与磁阻元件中各第一磁传感元件和第二磁传感元件的数量、具体电耦接方式决定。该x1与x2的值可相同或不同；该y1与y2的值可相同或不同，此处不具体限定。

在本申请的一些实施例中，第一磁传感元件与第二磁传感元件为隧道磁阻元件。

需要说明的是，第一磁传感元件与第二磁传感元件均具有磁阻效应，其可以为GMR、TMR或其他元件，此处不做限定。

本申请的一些实施例中，第一磁阻元件与第二磁阻元件经串联电耦接形成第一磁阻元件，由第一磁阻元件及第二磁阻元件电耦接形成的惠斯通结构的磁阻元件在磁场下呈分段线性响应，磁阻元件在第一磁场范围与第二磁场范围之间的重合磁场内具有第一灵敏度，在第一磁场范围与第二磁场范围之间的非重合磁场内具有第二灵敏度。

在本申请的一个实施例中，磁阻元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及处理电路，第一磁阻元件与第二磁阻元件通过处理电路电耦接形成惠斯通电桥结构，第一磁阻元件包括串联连接的一第一磁传感元件和一第二磁传感元件。

该第一磁传感元件具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，在第一磁场范围内输出信号与输入电压/>的比值符合/>，其中H为外加磁场的值，/>为仅由第一磁传感元件组成的磁阻元件在外加磁场下的灵敏度值。

该第二磁传感元件具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性的响应，在第二磁场范围内输出信号与输入电压/>的比值符合/>；其中H为外加磁场的值，为仅由第二磁传感元件组成的磁阻元件在外加磁场下的灵敏度值；该第一磁场范围与第二磁场范围部分不重合。

仅由多个第一磁传感元件形成的惠斯通全桥结构的磁阻元件中，当外加磁场为0时，各第一磁传感元件的电阻为；当外加磁场为非零时，处于高阻态的第一磁传感元件的电阻为/>；处于低阻态的第一磁传感元件的电阻为/>；其中/>为磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值/>。

该磁阻元件在对应于第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值符合，在超出第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合/>，其中/>为一常数。

仅由多个第二磁传感元件形成的惠斯通全桥结构的磁阻元件中，当外加磁场为0时，各第二磁传感元件的电阻为；当外加磁场为非零时，处于高阻态的第二磁传感元件的电阻为/>，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为/>；其中/>为该磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值/>。

该磁阻元件在对应于第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值符合，在超出第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合/>，其中/>为一常数。

本申请实施例中，磁阻元件中第一磁阻元件由1个第一磁传感元件与1个第二磁传感元件经串联后形成；第二磁阻元件也由1个第一磁传感元件与1个第二磁传感元件经串联后形成；第一磁阻元件与第二磁阻元件组成惠斯通全桥结构；当外加磁场为0时，各桥臂的电阻为。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的重合磁场时，处于高阻态的桥臂的电阻为，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为；其中/>为该磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值符合

。

由于、/>、/>、/>均为固定值，/>与/>呈线性响应，即该磁阻元件具有对应于重合磁场内的外加磁场的线性的响应，且其灵敏度/>符合/>。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场，且第二磁场范围覆盖该非重合磁场时， 为该磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值；进而，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值符合

。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场，第一磁场范围覆盖该非重合磁场时， 为该磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值；进而，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值符合

。

因此，本申请实施例提供的磁阻元件在第一磁场范围与第二磁场范围实现了分段线性响应，具体地：在第一磁场范围与第二磁场范围的重合磁场实现了线性响应，其灵敏度为；在第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场分别实现了线性响应，其灵敏度为/>或/>。其中，位于重合磁场时磁阻元件的灵敏度值大于非重合磁场时对应的灵敏度值。

本申请的一些实施例中，第一磁阻元件与第二磁阻元件经并联电耦接形成第一磁阻元件；相应地，由第一磁阻元件及第二磁阻元件电耦接形成的惠斯通结构的磁阻元件在磁场下呈分段近似线性响应，磁阻元件在第一磁场范围与第二磁场范围之间的重合磁场内具有第一灵敏度，在第一磁场范围与第二磁场范围之间的非重合磁场内具有第二灵敏度。

在本申请的一个实施例中，磁阻元件包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及处理电路，第一磁阻元件与第二磁阻元件通过处理电路电耦接形成惠斯通全桥结构，第一磁阻元件包括并联连接的一第一磁传感元件和一第二磁传感元件。

该第一磁传感元件具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，在第一磁场范围内输出信号与输入电压/>的比值符合/>，其中H为外加磁场的值，/>为由第一磁传感元件组成的磁阻元件在外加磁场下的灵敏度值。

该第二磁传感元件具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性的响应，即在第二磁场范围内输出信号与输入电压/>的比值符合/>；其中H为外加磁场的值，/>为由第二磁传感元件组成的磁阻元件在外加磁场下的灵敏度值；该第一磁场范围与第二磁场范围存在部分不重合。

将多个第一磁传感元件形成惠斯通全桥结构的磁阻元件，当外加磁场为0时，各第一磁传感元件的电阻为；当外加磁场为非零时，处于高阻态的第一磁传感元件的电阻为，处于低阻态的第一磁传感元件的电阻为/>；其中/>为磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值；因此，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值/>，进而该磁阻元件在对应于第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合，在超出第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合/>，其中/>为一常数。

将多个第二磁传感元件形成惠斯通全桥结构的磁阻元件，当外加磁场为0时，各第二磁传感元件的电阻为；当外加磁场为非零时，处于高阻态的第二磁传感元件的电阻为，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为/>；其中/>为该磁阻元件在外加磁场下的电阻变化值；因此，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值/>，进而该磁阻元件在对应于第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合，在超出第一磁场范围的外加磁场下的电阻变化值/>符合/>，其中/>为一常数。

在本申请实施例的磁阻元件由第一磁传感元和第二磁传感元件组成惠斯通㢗，第一磁传感元件与第二磁传感元件并联后作为惠斯通全桥结构中的一个桥臂，各桥臂的结构相同，形成磁阻元件；当外加磁场为0时，各桥臂的电阻为。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的重合磁场时，处于高阻态的桥臂的电阻为，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为/>。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值符合

。

考虑到在磁场下电阻的变化率远小于其本身电阻值，即，/>，以及/>、/>，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值近似符合

H 。

因此，当外加磁场处于第一磁场范围与第二磁场范围的重合磁场时该磁阻元件具有对应于重合磁场内的外加磁场的线性的响应。其灵敏度符合/>。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场，第一磁场范围覆盖该外加磁场时，处于高阻态的桥臂的电阻为，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为/>。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值符合

。

考虑到在磁场下电阻的变化率远小于其本身电阻值，即，以及，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值近似符合

。

当外加磁场为第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场，第二磁场范围覆盖该外加磁场时，处于高阻态的桥臂的电阻为，处于低阻态的第二磁传感元件的电阻为/>。

该磁阻元件的输出信号与输入电压/>的比值符合

。

考虑到在磁场下电阻的变化率远小于其本身电阻值，即，以及，该磁阻元件的输出信号/>与输入电压/>的比值近似符合

。

因此，当外加磁场处于第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场时该磁阻元件具有对应于非重合磁场内的外加磁场的线性的响应。其灵敏度符合或/>。

本申请实施例提供的磁阻元件在第一磁场范围与第二磁场范围的重合磁场实现了线性响应，其灵敏度为；在第一磁场范围与第二磁场范围的非重合磁场实现了线性响应，其灵敏度为/>或/>，实现了分阶段响应，同时位于重合磁场时其灵敏度值大于非重合磁场时对应的灵敏度值。

在本申请的一些实施例中，第一感测层或第二感测层具有闭合通量磁化，其长轴平行于其灵敏轴方向，其长短轴比值为1~2，其厚度为30nm~500nm，其长轴长度为1μm-20μm。

在本申请的一些实施例中，第一感测层或第二感测层具有非闭合通量磁化图案，其长轴平行或垂直于其灵敏轴方向，其厚度小于200nm。

在本申请的一些实施例中，第一感测层与第二感测层同时具有闭合通量磁化图案；第一感测层具有与第二感测层相同的厚度以及较大的直径或较小的短轴长度，第二磁场范围覆盖第一磁场范围。

在本申请的一些实施例中，第一感测层与第二感测层同时具有非闭合通量磁化图案；第一感测层具有与第二感测层相同的磁活性面积以及较低的长短轴比值，第二磁场范围覆盖第一磁场范围。

在本申请的一些实施例中，第一感测层与第二感测层同时具有非闭合通量磁化图案；第一感测层具有与第二感测层相同的短轴比值以及较大的磁活性面积，第二磁场范围覆盖第一磁场范围。

在本申请的一些实施例中，第一感测层具有非闭合磁化图案，第一磁传感元件具有第一磁堆叠结构或第二磁堆叠结构；

其中，第一磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层以及感测层，感测层的形状各向异性场大于其磁晶各向异性场，感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向；

第二磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层、感测层以及第二钉扎层，感测层被第二钉扎层弱钉扎，感测层的钉扎方向垂直于参考层，感测层的长轴平行或垂直于其灵敏轴方向。

在本申请的一些实施例中，第一磁堆叠结构的感测层的长短轴比值为2~100。

在本申请的一些实施例中，以第二磁堆叠结构的感测层中垂直于其灵敏轴方向的轴为长轴，平行于其灵敏轴的轴为短轴，则感测层的长短轴比值为0.5~2。

在本申请的一些实施例中，第二感测层具有非闭合磁化图案，第二磁传感元件具有第一磁堆叠结构或第二磁堆叠结构；

第一磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层以及感测层，感测层的形状各向异性场大于其磁晶各向异性场，感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向；

第二磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层、感测层以及第二钉扎层，感测层被第二钉扎层弱钉扎，感测层的钉扎方向垂直于参考层，感测层的长轴平行或垂直于其灵敏轴方向。

在申请的一些实施例中，第一磁传感元件具有闭合通量磁化图案，如涡旋磁化图案；第二磁传感元件具有非闭合通量磁化图案；第一磁传感元件中用于感测磁场的第一感测层中灵敏轴方向与第二磁传感元件中用于感测磁场的第二感测层中灵敏轴方向平行。

本申请实施例中，第一感测层的长轴平行于其灵敏轴方向；第一感测层的长短轴比值为1~2，第一感测层的厚度为30nm~500nm，第一感测层的长轴的长度为1μm~20μm；第一感测层的膜层形状可以为圆形或椭圆形。

本申请实施例中，第二感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向，第二感测层的长短轴的比值为2~100，第二感测层的厚度小于200nm；第二感测层的膜层形状可以为椭圆形或矩形。

需要说明的是，本实施例中，第一磁传感元件可通过第一感测层中长短轴比值、厚度、长轴的长度等特征调节其线性范围和灵敏度；第二磁传感元件可通过第二感测层中磁活性面积、长短轴比值等特征调节其线性范围和灵敏度的值。

在申请的一些实施例中，第一磁传感元件和第二磁传感元件均具有非闭合通量磁化图案；第一磁传感元件中用于感测磁场的第一感测层中灵敏轴方向与第二磁传感元件中用于感测磁场的第二感测层中灵敏轴方向平行。

本申请实施例中，第一感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向，第一感测层的长短轴的比值为2~100，第一感测层的厚度小于200nm。

本申请实施例中，第二感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向，第二感测层的长短轴的比值为2~100，第二感测层的厚度小于200nm。

本申请实施例中，第一感测层与第二感测层具有相同的磁活性面积或长短轴比值。

在第一感测层与第二感测层具有相同的磁活性面积时，第一感测层与第二感测层具有不同的长短轴比值；通过长短轴比值调节第一磁传感元件与第二磁传感元件的灵敏度及线性响应范围。

在第一感测层与第二感测层具有相同的长短轴比值时，第一感测层与第二感测层具有不同的磁活性面积，通过磁活性面积调节第一磁传感元件与第二磁传感元件的灵敏度及线性响应范围。

需要说明的是，本申请中第一磁传感元件与第二磁传感元件的线性响应范围及灵敏度的调节手段不限于调整其磁活性面积、长短轴比值。此处不做具体限定。

在本申请的一些实施例中，第二磁场范围覆盖第一磁场范围，第一磁传感元件的长短轴比值低于第二磁传感元件的长短轴比值。

在本申请的一些实施例中，第二磁场范围覆盖第一磁场范围，第一磁传感元件的磁活性面积大于第二磁传感元件的磁活性面积。

在本申请的一些实施例中，第一磁传感元件和第二磁传感元件均具有第一磁堆叠结构，第一磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层以及感测层；感测层的形状各向异性场大于其磁晶各向异性场；感测层呈椭圆形或矩形。

需要说明的是，该第一磁堆叠结构通过形状各向异性使得第一磁传感元件和第二磁传感元件通过隧穿磁阻效应实现在一定磁场范围内实现无磁滞的线性响应。该第一磁堆叠结构的组成不限于钉扎层、参考层、隧穿层、感测层，此处不做限定。

在本申请的一些实施例中，第一磁传感元件和第二磁传感元件均具有第二磁堆叠结构，第二磁堆叠结构包括依次堆叠的第一钉扎层、参考层、隧穿层、感测层以及第二钉扎层；

本申请实施例中，感测层被第二钉扎层弱钉扎，感测层的钉扎方向垂直于参考层。

需要说明的是，本申请实施例中第二磁堆叠结构通过对感测层弱钉扎使得第一磁传感元件与第二磁传感元件通过隧穿磁阻效应实现在一定磁场范围内实现无磁滞的线性响应，该第二磁堆叠结构的组成不限于第一钉扎层、参考层、隧穿层、感测层及第二钉扎层，此处不做具体限定。

本申请实施例还提供了一种磁阻元件的制备方法，该磁阻元件为上述的磁阻元件。

该第一磁阻元件的制备方法具体包括：

S1提供一基底；

该基底可以为硅片或其他材质。

S2在基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、隧穿层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第一磁堆叠；

需要说明的是，第一磁堆叠可包括或不包括顶电极层薄膜，在第一磁传感元件与第二磁传感元件中感测层的厚度不同时，顶电极层薄膜也可以流片阶段进一步沉积，此处不做限定。

S3对第一磁堆叠进行磁场退火，以固定参考层薄膜的磁化方向；

本步骤的目的在于对参考层的磁化方向进行固化，确定了后续流片后第一磁传感元件及第二磁传感元件具有统一的灵敏轴方向；此处不对具体退火工艺进行限定。

S4对第一磁堆叠进行流片，得到第一磁阻元件。

本步骤的目的在于，在第一磁堆叠基础上流片得到相互电连接的至少一个第一磁传感元件跟至少一个第二磁传感元件。

第一磁传感元件与第二磁传感元件可具有相同或不相同的厚度，具有相同或不相同的形状，此处不做限定。

本申请实施例提供的磁阻元件的制备方法，可通过连续沉积得到第一磁堆叠，通过一次退火实现磁阻元件中各磁传感元件的参考层磁化方向的固定；通过一次流片实现多个磁传感元件的电耦接结构，具有加工工艺简单、便于工业化制备的特点。

本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括以上的磁阻元件；磁阻元件的技术特征不再具体赘述。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备可应用于磁场感测，实现高灵敏的磁场测量。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备可应用于电流感测，实现无接触、低功耗地电流测量。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备还可应用于速度感测，实现无接触、低功耗地速度测量。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备还可应用于方向感测，实现无接触、低功耗地方向测量。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备还可应用于旋转角度感测，实现无接触、低功耗地角度测量。

基于本申请磁阻元件的宽线性范围、高灵敏度的有益效果，本申请实施例的电子设备还可应用于接近感测，实现无接触、低功耗地接近测量，进一步地可实现自动开启或关闭设备、执行预设置指令等功能。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还 包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、 方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁阻元件，其特征在于，包括：

第一磁阻元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号，具有第一电阻传递函数；

第二磁阻元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号，具有相对于所述第一电阻传递函数反转的第二电阻传递函数；

处理电路，其电耦接到所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件，被配置成产生所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差分输出信号；

其中，所述第一磁阻元件包括：

第一磁传感元件，具有对应于第一磁场范围内的外加磁场的第一线性响应，其第一感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；

与所述第一磁传感元件电耦接的第二磁传感元件，具有对应于第二磁场范围内的外加磁场的第二线性响应，其第二感测层具有闭合通量磁化图案或非闭合通量磁化图案；

所述第二磁场范围与所述第一磁场范围至少部分不重合；

所述第二感测层与所述第一感测层具有不同的磁活性面积或长短轴比值；

在外部磁场为-x1至+x2范围时，所述差分输出信号与外部磁场的值呈第三线性变化；其中，x1，x2为大于零的数；

在外部磁场为+x2至+y2范围或-y1至-x1范围时，所述差分输出信号与外部磁场的值呈第四线性变化；其中，y2为大于x2的数，y1为大于x1的数。

2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一磁阻元件包括至少一个所述第一磁传感元件及至少一个所述第二磁传感元件；各所述第一磁传感元件与各所述第二磁传感元件分别通过串联或并联实现电耦接；或，

所述第一磁阻元件包括至少一个所述第一磁传感元件及至少一个所述第二磁传感元件以及至少1种第三磁传感元件；所述至少1种第三磁传感元件中各第三磁传感元件具有与所述第一磁传感元件或所述第二磁传感元件不同的线性磁场范围。

3.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一感测层与所述第二感测层的灵敏轴方向平行；

所述第一感测层或所述第二感测层具有闭合通量磁化图案时，其长轴平行于其灵敏轴方向，其长短轴比值为1～2，其厚度为30nm～500nm，其长轴为1μm～20μm；

所述第一感测层或所述第二感测层具有非闭合通量磁化图案时，其长轴平行或垂直于其灵敏轴方向，其厚度小于200nm。

4.根据权利要求3所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一感测层与所述第二感测层同时具有闭合通量磁化图案；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的厚度以及较大的直径或较小的短轴长度时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围。

5.根据权利要求3所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一感测层与所述第二感测层同时具有非闭合通量磁化图案；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的磁活性面积以及较低的长短轴比值时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围；

所述第一感测层具有与所述第二感测层相同的短轴比值以及较大的磁活性面积时，所述第二磁场范围覆盖所述第一磁场范围。

6.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一感测层或所述第二感测层具有非闭合磁化图案时，所述第一磁传感元件或所述第二磁传感元件具有第一磁堆叠结构或第二磁堆叠结构；

所述第一磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层以及感测层，所述感测层的形状各向异性场大于其磁晶各向异性场，所述感测层的长轴垂直于其灵敏轴方向；

所述第二磁堆叠结构包括依次堆叠的钉扎层、参考层、隧穿层、感测层以及第二钉扎层，所述感测层被所述第二钉扎层弱钉扎，所述感测层的钉扎方向垂直于所述参考层，所述感测层的长轴平行或垂直于其灵敏轴方向。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一磁传感元件与所述第二磁传感元件为隧道磁阻元件；

所述第一磁阻元件与所述第二磁阻元件电耦接形成惠斯通半桥或全桥结构。

8.一种磁阻元件的制备方法，其特征在于，所述磁阻元件为权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件，所述磁阻元件中第一磁阻元件的制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、隧穿层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第一磁堆叠；

对所述第一磁堆叠进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第一磁堆叠进行流片，得到所述第一磁阻元件。

9.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件；或采用权利要求8所述的制备方法所制得的磁阻元件；

所述电子设备用于磁场感测、电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度感测或接近感测中的至少一种。