CN1755387B - 利用巨磁致电阻元件的磁传感器及其制造方法 - Google Patents

利用巨磁致电阻元件的磁传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁传感器及其制造方法。该磁传感器包括单衬底、由包括单层被钉扎固定磁化层的自旋阀膜形成的传统GMR元件、以及由包括多层被钉扎固定磁化层的合成自旋阀膜形成的SAF元件。当要作为该传统GMR元件的该自旋阀膜和要作为该SAF元件的该合成自旋阀膜经受在高温施加的取向在单方向的磁场时，它们成为其磁场探测方向彼此反平行的巨磁致电阻元件。因为要作为该传统GMR元件和该SAF元件的膜可以彼此接近地设置，所以具有其磁场探测方向彼此反平行的巨磁致电阻元件的该磁传感器可以是小的。

Description

利用巨磁致电阻元件的磁传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种包括巨磁致电阻元件的磁传感器及其制造方法。
背景技术
通常已知的巨磁致电阻元件包括自旋阀膜，其包括：固定磁化层；自由层，其磁化方向响应于外磁场而改变；以及非磁导电间隔层。固定磁化层包括被钉扎层(pinned layer)和用于固定该被钉扎层的磁化方向的钉扎层(pinning layer)，间隔层设置在被钉扎层和自由层之间。因为固定磁化层的被钉扎层包括单铁磁层(例如，CoFe层)，所以为了方便起见，该固定磁化层下文中称为“单层被钉扎固定磁化层(single-layer-pinned fixedmagnetization layer)”，且包括单层被钉扎固定磁化层的自旋阀膜下文中称为“单层被钉扎自旋阀膜”。包括单层被钉扎固定磁化层的巨磁致电阻元件下文中称为“传统GMR元件”。
传统GMR元件的电阻根据被钉扎层和自由层的磁化方向形成的角度而变化。具体地，该元件的电阻响应于沿着被钉扎层的磁化方向的外磁场分量而变化。因此，该元件探测沿着被钉扎层的固定磁化方向的方向(更适当地说，反平行于该被钉扎层的磁化方向的方向)的磁场。为了固定被钉扎层的磁化方向，进行磁场热处理，其中，例如，包括要作为被钉扎层的铁磁层和要作为钉扎层的反铁磁层的复合膜(composite film)在高温下被热处理，同时取向在预定方向的磁场被施加到该复合膜。
如图45A所示，利用传统GMR元件的磁传感器通常包括探测预定方向磁场的两个传统GMR元件101和102以及探测在反平行于该预定方向的方向上的磁场的另两个传统GMR元件103和104。以全桥构造(full-bridgeconfiguration)连接这些GMR元件从而输出图中所示的点之间的电势差V。图45B示出图45A所示的磁传感器响应于在其磁场探测方向的外磁场H的输出V。
该桥构造允许已知磁传感器即使对于小磁场也产生高输出。已知磁传感器中，GMR元件的温度均匀变化，GMR元件的电阻也相应地均匀变化。例如，如果一GMR元件的温度增加，其它GMR元件的温度均匀地增加，因此所有GMR元件的电阻均匀变化。因此，输出V不容易被GMR元件的温度变化所影响，即使GMR元件的温度改变，磁传感器也可以准确地探测外磁场(例如日本未审查的公开号为2004-163419的专利申请中所公开的)。
决定磁场探测方向的被钉扎层的磁化方向与磁场热处理期间施加到要成为固定磁化层的层的磁场的方向相同。为了形成用于在桥构造的探测反平行方向磁场的多个传统GMR元件，必须施加反平行磁场到具有要成为传统GMR元件的多个膜的衬底。此外，对于能够探测沿两个垂直方向(例如X轴和Y轴方向)的磁场分量的磁传感器，探测沿正X轴方向、正Y轴方向、负X轴方向、以及负Y轴方向的磁场分量的传统GMR元件设置在非常小的衬底上。因此，磁场热处理期间必须施加取向在这些四个方向的磁场到具有要成为传统GMR元件的膜的衬底。然而，难以在小区域中产生这样的彼此取向在不同方向的磁场。
上面引用的日本未审查的公开号为2004-163419的专利申请已经公开了一种利用下面的传感器结构和磁体阵列制造磁传感器的方法。具体地，要成为四对(总共八个)传统GMR元件101到108的膜形成在大致正方形的衬底100a的四边附近，如图46中平面图所示。
磁体阵列包括以四方格子(tetragonal lattice)方式排列的矩形实心永磁体。以这样的方式排列永磁体使得它们的在一侧的端部表面位于基本相同的平面中，任意两个相邻永磁体的端部表面具有彼此相反的磁极性。图47是磁体阵列中永磁体110的一些的透视图。图47示出磁体阵列的上侧和磁体产生的从N极到S极在四个方向的磁场。
为了进行磁场热处理，具有要成为传统GMR元件的膜的衬底100a设置在磁体阵列的上侧之上。对于热处理，施加从磁体阵列的上侧产生的在四个方向的磁场到要成为传统GMR元件的膜，如图48所示。于是产生了图46所示的磁传感器100。
磁传感器100的传统GMR元件101到104探测沿X轴方向的磁场分量。传统GMR元件101和102的被钉扎层的磁化方向被固定在负X轴方向。传统GMR元件103和104的被钉扎层的磁化方向被固定在正X轴方向。通常，以全桥构造连接传统GMR元件101到104，如图45所示，以形成用于探测在X轴方向上的磁场的X轴磁传感器。
传统GMR元件105到108探测沿Y轴方向的磁场分量。传统GMR元件105和106的被钉扎层的磁化方向被固定在正Y轴方向。传统GMR元件107和108的被钉扎层的磁化方向被固定在负Y轴方向。以与传统GMR元件101到104相同的全桥构造连接传统GMR元件105到108，从而形成用于探测在Y轴方向上的磁场的Y轴磁传感器。
在这样的垂直双向(探测)磁传感器中，传统GMR元件设置在衬底100a的四边附近，因此难以使该磁传感器(芯片)充分小型化。
在其中传统GMR元件远距离布置的磁传感器中，如果衬底100a或者覆盖衬底100a的树脂涂层等由于热、外部应力等等而变形，则传统GMR元件通过不均匀地作用在其上的应力而不均匀地变形。从而，以桥构造连接的传统GMR元件的电阻单独变化，因此磁传感器的桥电路变得不平衡。结果，磁传感器100不能准确地探测磁场。
此外，因为磁传感器中传统GMR元件之间的距离长，增加了形成全桥构造的导线(wire)的长度，因此增加了归因于导线的电阻的损耗。
发明内容
本发明提供在单衬底(single substrate)上具有包括单层被钉扎固定磁化层的第一巨磁致电阻元件和包括多层被钉扎固定磁化层的第二巨磁致电阻元件的磁传感器。
该第一巨磁致电阻元件由单层被钉扎自旋阀膜定义，该单层被钉扎自旋阀膜包括：单层被钉扎固定磁化层；自由层，其磁化方向响应于外磁场而改变；以及间隔层，其由非磁导电材料制成。该单层被钉扎固定磁化层包括单铁磁层和钉扎层，该间隔层设置在该铁磁层和该自由层之间。该铁磁层的磁化通过该钉扎层被固定在第一方向(例如正X轴方向)，从而该铁磁层作为被钉扎层。
该第二巨磁致电阻元件由多层被钉扎自旋阀膜定义，该多层被钉扎自旋阀膜包括：多层被钉扎固定磁化层；自由层，其磁化方向响应于外磁场而改变；以及间隔层，其由非磁导电材料制成。该多层被钉扎固定磁化层包括第一铁磁层、邻接该第一铁磁层的交换耦合层、邻接该交换耦合层的第二铁磁层、以及邻接该第二铁磁层的钉扎层。该间隔层设置在该第一铁磁层和该自由层之间。该第二铁磁层的磁化方向通过该钉扎层被固定，该第一铁磁层的磁化方向通过该第一铁磁层和第二铁磁层与在它们之间的该交换耦合层的交换耦合被固定在反平行于该第一方向的第二方向(例如负X轴方向)。因此，该第一铁磁层作为被钉扎层。
该第一巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化方向(第一方向)180°不同于(反平行于)该第二巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化方向(第二方向)。
具有要作为第一巨磁致电阻元件的单层被钉扎自旋阀膜和要作为第二巨磁致电阻元件的多层被钉扎自旋阀膜的衬底经受磁场热处理。具体地，在高温下取向在单方向的磁场施加到这两种膜。从而，该单层被钉扎自旋阀膜的要作为被钉扎层的铁磁层的磁化和该多层被钉扎自旋阀膜的第二铁磁层的磁化被固定在相同方向。同时，该多层被钉扎自旋阀膜的要作为该被钉扎层的第一铁磁层和该第二铁磁层交换耦合与在它们之间的该交换耦合层交换耦合，从而该第一铁磁层的磁化被固定在反平行于该第二铁磁层的磁化方向的方向。因此，该第一巨磁致电阻元件的被钉扎层(铁磁层)的磁化和该第二巨磁致电阻元件的被钉扎层(第一铁磁层)的磁化被固定在彼此反平行的方向。
该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件每个探测在反平行于它们各自的被钉扎层的固定磁化方向的方向上的磁场；因此，这两个元件探测在反平行方向的磁场(见图14)。
因此，不同于已知磁传感器，本发明的磁传感器不需要两个巨磁致电阻元件长间距地设置以施加第一磁场和其方向180°地不同于该第一磁场的方向的第二磁场到该巨磁致电阻元件。即，可以通过施加取向在单方向的磁场到形成在该衬底上的两种类型的膜来制造本发明的磁传感器：所述两种类型的膜中的一种要作为该第一巨磁致电阻元件，另一种要作为该第二巨磁致电阻元件。因此，本发明的磁传感器中，具有180°不同的磁场探测方向的该两种类型的巨磁致电阻元件(该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件)可以彼此接近地设置。从而，该磁传感器可以非常小。
优选地，以桥构造连接该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件以形成一电路，该电路根据在其预定点的电势产生输出，该输出随着施加到该磁传感器的磁场的在该第一方向的分量的强度的增加而单调地增加或减小。
该电路可以是半桥(half-bridge)电路或全桥电路。除了该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件之外，该电路还可以包括固定电阻器。
该磁传感器可包括两个第一巨磁致电阻元件和两个第二巨磁致电阻元件，且连接这些元件以形成全桥电路。
具体地，全桥电路中，该两个第一巨磁致电阻元件之一的一端连接到该两个第二巨磁致电阻元件之一的一端以形成第一子电路(sub-circuit)。第一电势施加到该第一子电路的第一巨磁致电阻元件的另一端，不同于该第一电势的第二电势施加到该第一子电路的第二巨磁致电阻元件的另一端。
另外，另一巨磁致电阻元件的一端连接到另一第二巨磁致电阻元件的一端以形成第二子电路。该第一电势施加到该第二子电路中第二巨磁致电阻元件的另一端，该第二电势施加到该第二子电路中第一巨磁致电阻元件的另一端。
该构造中，该磁传感器输出该第一子电路中第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件的连接点与该第二子电路中第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。
该全桥构造需要两对巨磁致电阻元件，每对中的磁致电阻元件具有反平行磁场探测方向。如所说明的，因为探测反平行方向的磁场的该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件可以容易地设置在单衬底上小区域中，两对该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件可容易地设置在该衬底上小区域中。因此，本发明可实现具有全桥电路且具有出众的温度特性的减小尺寸的磁传感器。
因为这两种类型的巨磁致电阻元件可以设置在单衬底上小区域中，所以应力(例如张应力或压应力)几乎一致且均匀地作用于(置于)这些巨磁致电阻元件上，即使该衬底或覆盖该衬底或别的层的树脂涂层等通过热或外应力而变形。因此，该巨磁致电阻元件的电阻均匀地增加或减小，且可减小该全桥电路失去平衡的可能性。因此，该磁传感器可准确地探测磁场。
该磁传感器还可以包括由形成该衬底上的单层被钉扎自旋阀膜定义的第三巨磁致电阻元件、以及由形成该衬底上的多层被钉扎自旋阀膜定义的第四巨磁致电阻元件。该第三巨磁致电阻元件中的铁磁层的磁化被固定在垂直于该第一方向的第三方向，该第四巨磁致电阻元件中的第一铁磁层的磁化被固定在反平行于该第三方向的第四方向。
该结构允许该磁传感器探测沿着两垂直方向的磁场分量(磁力)。该类型的磁传感器可以被称为“垂直双向磁传感器”。因为该第三巨磁致电阻元件和该第四巨磁致电阻元件可以设置在该衬底上小区域中，如该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的情况，该垂直双向磁传感器可以较小。
该垂直双向磁传感器中，以桥构造连接该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件以形成一电路，其根据在其预定点的电势产生第一输出，该第一输出随着施加到该磁传感器的磁场的在该第一方向的分量的强度的增加而单调地增加或减小。另外，以桥构造连接该第三巨磁致电阻元件和该第四巨磁致电阻元件以形成一电路，其根据在其预定点的电势产生第二输出，该第二输出随着施加到该磁传感器的磁场的在该第三方向的分量的强度的增加而单调地增加或减小。
这些桥构造可导致半桥电路或全桥电路。除了该第一和第二巨磁致电阻元件或该第三和第四巨磁致电阻元件之外，这些电路还可每个包括固定电阻器。
该垂直双向磁传感器可包括两个第一巨磁致电阻元件、两个第二巨磁致电阻元件、两个第三巨磁致电阻元件、以及两个第四巨磁致电阻元件。该两个第一巨磁致电阻元件和该两个第二巨磁致电阻元件以包括第一子电路和第二子电路的全桥构造连接。该两个第三巨磁致电阻元件和该两个第四巨磁致电阻元件以另一包括第三子电路和第四子电路的全桥构造连接。
该结构可实现包括两个全桥电路且具有出众温度特性的垂直双向磁传感器。另外，该两个第三巨磁致电阻元件和该两个第四巨磁致电阻元件、以及该两个第一巨磁致电阻元件和该两个第二巨磁致电阻元件，可以设置在该衬底上小区域中。因此，该垂直双向磁传感器可以较小。
因为形成桥电路的该巨磁致电阻元件可以设置在单衬底上小区域中，应力(例如张应力或压应力)几乎一致地作用于这些巨磁致电阻元件上，即使该衬底或覆盖该衬底和别的层的树脂涂层等变形。因此这些巨磁致电阻元件的电阻均匀地增加或减小，且可以减小该全桥电路失去平衡的可能性。因此，该垂直双向磁传感器可准确地探测沿着两垂直方向的磁场分量的每一个。该磁传感器中，第一电势和不同于该第一电势的第二电势可分别施加到该全桥电路中的一个的诸端，第三电势和不同于该第三电势的第四电势可分别施加到另一全桥电路的诸端。在此情形，该第一电势和该第三电势可以相同，该第二电势和该第四电势可以相同。
本发明的磁传感器可包括：形成在该衬底上的四个巨磁致电阻元件，每个包括(被定义)单层被钉扎自旋阀膜；以及形成在该衬底上的四个巨磁致电阻元件，每个包括(被定义)多层被钉扎自旋阀膜。该单层被钉扎自旋阀膜的四个巨磁致电阻元件以全桥构造连接从而形成用于探测在预定方向上的磁场的电路。该多层被钉扎自旋阀膜的四个巨磁致电阻元件以全桥构造连接从而形成用于探测在该预定方向上的磁场的另一电路。通过利用从这两个电路的输出，该磁传感器可以产生被作用于该元件上的应力影响尽可能小的输出。
为了便于理解，下面要参考图30到34详细说明该形式。具体地，在该形式的磁传感器中，该第一巨磁致电阻元件的数量是两个(51G、52G)，该第二巨磁致电阻元件的数量是两个(61S、62S)。该两个第一巨磁致电阻元件和该两个第二巨磁致电阻元件彼此接近地设置在第一区域中。
该磁传感器还包括：两个第五巨磁致电阻元件(53G、54G)，每个包括(被定义)该衬底上的单层被钉扎自旋阀膜；以及两个第六巨磁致电阻元件(63S、64S)，每个包括该衬底上的多层被钉扎自旋阀膜。每个第五巨磁致电阻元件中的该铁磁层的磁化被固定在第二方向。每个第六巨磁致电阻元件中的该第一铁磁层的磁化被固定在第一方向。该两个第五巨磁致电阻元件和该两个第六巨磁致电阻元件彼此接近地设置在与该第一区域间隔开的第二区域中。
如图32A所示，该磁传感器中，该两个第一巨磁致电阻元件的一个元件(51G)的一端连接到该两个第五巨磁致电阻元件的一个元件(53G)的一端，以形成第五子电路；另一第一巨磁致电阻元件(52G)的一端串联连接到另一第五巨磁致电阻元件(54G)的一端，以形成第六子电路。第一电势(+V)施加到该第五子电路的第一巨磁致电阻元件(51G)的另一端和该第六子电路的第五巨磁致电阻元件(54G)的另一端，不同于该第一电势的第二电势(GND)施加到该第五子电路的第五巨磁致电阻元件(53G)的另一端和该第六子电路的第一巨磁致电阻元件(52G)的另一端。这样形成的电路输出该第五子电路中该第一巨磁致电阻元件(51G)与该第五巨磁致电阻元件(53G)的连接点(Q10)和该第六子电路中该第一巨磁致电阻元件(52G)与该第五巨磁致电阻元件(54G)的连接点(Q20)之间的电势差VoxConv。该电势差VoxConv定义为传统GMR元件输出。
另外，如图33A所示，该两个第二巨磁致电阻元件的一个元件(61S)的一端连接到该两个第六巨磁致电阻元件的一个元件(63S)的一端，以形成第七子电路；另一第二巨磁致电阻元件(62S)的一端串联连接到另一第六巨磁致电阻元件(64S)的一端，以形成第八子电路。第三电势(其可以与该第一电势+V相同)施加到该第七子电路的第二巨磁致电阻元件(61S)的另一端和该第八子电路的第六巨磁致电阻元件(64S)的另一端，不同于该第三电势的第四电势(其可以与该第二电势GND相同)施加到该第七子电路的第六巨磁致电阻元件(63S)的另一端和该第八子电路的第二巨磁致电阻元件(62S)的另一端。这样形成的电路输出该第七子电路中该第二巨磁致电阻元件(61S)与该第六巨磁致电阻元件(63S)的连接点(Q30)和该第八子电路中该第二巨磁致电阻元件(62S)与该第六巨磁致电阻元件(64S)的连接点(Q40)之间的电势差VoxSAF。该电势差VoxSAF定义为SAF元件输出。
如图31所示，该磁传感器根据该传统GMR元件输出VoxConv和该SAF元件输出VoxSAF产生输出。根据该传统GMR元件输出和该SAF元件输出的该输出可以是该传统GMR元件输出和该SAF元件输出之间的电势差、这两种输出的比值、或者其它值。
为了描述方便起见，假定：在其中磁场要被探测的方向的正方向反平行于该第一方向；该传统GMR元件输出VoxConv是通过从在该连接点Q10的电势减去在该连接点Q20的电势得到的差；以及该SAF元件输出VoxSAF是通过从在该连接点Q30的电势减去在该连接点Q40的电势得到的差。另外，假定该磁传感器输出通过从该SAF元件输出VoxSAF减去该传统GMR元件输出VoxConv得到的差，如图31所示。
在此情形中，随着要被探测的磁场的强度的增加，该传统GMR元件输出VoxConv如图32B所示地下降，且该SAF元件输出VoxSAF如图33B所示地增加。从而，该磁传感器的输出Vox随着该磁场的强度的增加而增加，如图34所示。
该磁传感器中，应力(例如张应力或压应力)一致地作用于该第一区域中该第一巨磁致电阻元件(51G、52G)和第二巨磁致电阻元件(61S、62S)上。另外，应力(例如张应力或压应力)一致地作用于该第二区域中该第五巨磁致电阻元件(53G、54G)和第六巨磁致电阻元件(63S、64S)上。
如果压应力作用于该第一区域中元件上，且张应力作用于该第二区域中元件上，同时要被探测的磁场不改变，该第一区域中元件(51G、52G、61S、62S)的电阻均匀地减小且该第二区域中元件(53G、54G、63S、64S)的电阻均匀地增大。从而，在该连接点Q10和Q30的电势增大且在该连接点Q20和Q40的电势减小。
从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv一起增大，因此该磁传感器的输出几乎不变。
如果张应力作用于该第一区域中元件上，且压应力作用于该第二区域中该元件上，该第一区域中元件(51G、52G、61S、62S)的电阻均匀地增大且该第二区域中元件(53G、54G、63S、64S)的电阻均匀地减小。从而，在该连接点Q10和Q30的电势减小且在该连接点Q20和Q40的电势增大。
从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv一起减小，因此该磁传感器的输出几乎不变。
此外，如果张应力作用于全部元件上，该第一区域和第二区域中元件的电阻全部均匀地增大。于是，在从Q10到Q40的连接点的电势几乎不变。从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv几乎不变，因此该磁传感器的输出，即这两个输出的差，几乎不变。如果压应力作用于全部元件上，在从Q10到Q40的连接点的电势几乎不变，且因此该磁传感器的输出几乎不变。
如以上通过范例所描述的，即使置于元件的每个上的应力彼此不同，只要该外磁场保持不变，该磁传感器可产生基本恒定的输出。因此，该磁传感器可准确地探测磁场。
本发明的该磁传感器可包括多个第一巨磁致电阻元件(每个具有该单层被钉扎固定磁化层)和与该第一巨磁致电阻元件的数目相同的数目的第二巨磁致电阻元件(每个具有该多层被钉扎固定磁化层)。该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件彼此平行交替布置在该衬底的预定方向上。该第一巨磁致电阻元件串联连接以形成一巨磁致电阻元件，且该第二巨磁致电阻元件串联连接以形成另一巨磁致电阻元件。
如上所述，因为本发明的该磁传感器可以较小，所以作用于该衬底上巨磁致电阻元件上的应力之间的差可以较小。但是，可推断，该衬底或树脂涂层的形变产生的且作用于该衬底上元件上的应力沿着该衬底的表面逐渐变化。于是，如上述布置，通过在该衬底上沿着预定方向交替排列该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件，且串联连接该第一巨磁致电阻元件以形成一巨磁致电阻元件(第一元件)，串联连接该第二巨磁致电阻元件以形成另一巨磁致电阻元件(第二元件)，相似大小(具有相似平均值)的应力可作用于该第一元件和该第二元件上。因此，由该第一元件和该第二元件上的应力导致的电阻变化变得彼此接近。从而，通过以桥构造连接该第一和该第二元件以形成电路，该磁传感器的输出不被应力影响更小。
本发明的磁传感器可包括四个所述第一巨磁致电阻元件和四个所述第二巨磁致电阻元件。该四个第一巨磁致电阻元件的两个彼此相邻设置且形成第一组，该四个第一巨磁致电阻元件的另外两个彼此相邻设置且形成第二组。该四个第二巨磁致电阻元件的两个位于彼此相邻且形成第三组，该四个第二巨磁致电阻元件的另外两个位于彼此相邻且形成第四组。该第一到第四组以第一组、第三组、第二组、以及第四组的顺序或者以第三组、第一组、第四组、以及第二组的顺序沿预定方向平行排列在该衬底上。
连接该第一巨磁致电阻元件的彼此不相邻的两个以形成由该第一巨磁致电阻元件组成的一元件(第三元件)，且连接该第一巨磁致电阻元件的其余的彼此不相邻的两个以形成由该第一巨磁致电阻元件组成的一元件(第四元件)。换言之，分别连接两对不相邻的第一巨磁致电阻元件以定义由该第一巨磁致电阻元件组成的两个元件(第三元件、第四元件)。
此外，连接彼此不相邻的两个该第二巨磁致电阻元件以形成由该第二巨磁致电阻元件组成的一元件(第五元件)，且连接其余的彼此不相邻的两个该第二巨磁致电阻元件以形成由该第二巨磁致电阻元件组成的一元件(第六元件)。换言之，分别连接两对不相邻的第二巨磁致电阻元件以定义由该第二巨磁致电阻元件组成的两个元件(第五元件、第六元件)。
该结构可使该第三到第六元件接受具有更接近大小的应力。因此，归因于应力的该第三到第六元件的电阻的变化可以是接近的。因此，通过以全桥构造连接这些第三到第六元件从而形成磁传感器，该磁传感器可产生被该元件上的应力影响更小的输出。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制造该磁传感器的方法。该方法包括：在衬底上形成要作为该第一巨磁致电阻元件的膜和要作为该第二巨磁致电阻元件的膜的膜形成步骤；以及在高温下(在高温气氛下)施加取向在单方向的磁场到该膜以固定每个被钉扎层的磁化方向的磁场热处理步骤。
根据该磁场热处理，该第一巨磁致电阻元件中该被钉扎层的磁化方向和该第二巨磁致电阻元件中该被钉扎层的磁化方向容易地被固定，从而这些磁化方向彼此反平行。因此，其磁场探测方向彼此反平行的两个巨磁致电阻元件可容易地在单衬底上被制造。
优选地，该磁场热处理步骤使用由包括多个基本矩形实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，所述永磁体每个具有垂直于该永磁体的每个的中心轴的基本正方形的端表面。该永磁体以这样的方式小间距排列：该端表面的重心对应于四方格子的格点(lattice point)，且该永磁体的任何一个的极性与被最短路线(距离)间隔开的其它相邻永磁体的极性相反。
优选地，该膜形成步骤包括子步骤：在该衬底上形成要成为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的之一的第一复合层(第一膜形成步骤)；除去该第一复合层的不必要的区域(第一不必要区域去除步骤)；除去该不必要区域之后用绝缘层涂敷该第一复合层(形成绝缘层步骤)；在该衬底和该绝缘层上形成要成为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的另一膜的第二复合层(第二膜形成步骤)；以及除去该第二复合层的不必要区域(第二不必要区域去除步骤)。
采用上面的方法，容易地制造出在单衬底上具有该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的磁传感器。
供选地，该膜形成步骤可包括子步骤：在该衬底上以此顺序形成(沉积)要作为该第二巨磁致电阻元件的该钉扎层、该第二铁磁层、以及该交换耦合层从而形成第一预复合(pre-composite)层(第一预复合层形成步骤)；从要要形成该第一巨磁致电阻元件的区域完全除去该第一预复合层的要作为该交换耦合层的层，而在要具有该第二巨磁致电阻元件的区域中不除去该第一预复合层(第一交换耦合层去除步骤)；以及在除去要作为该交换耦合层的层的步骤之后在层的整个上表面上以此顺序形成(沉积)具有与该第二铁磁层相同的成分的铁磁层和要作为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的间隔层和自由层的层(第一额外层形成步骤)。
通过上面的方法，要用作为该第二巨磁致电阻元件的包括该第一铁磁层和该第二铁磁层并且交换耦合层置于其间的复合层提供在一侧上，且要作为该第一巨磁致电阻元件的包括通过在该固定磁化层(或被钉扎层)中的两轮沉积形成的该铁磁层的另一复合层提供在另一侧上。这样，容易地制造出在单衬底上具有该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的磁传感器。
供选地，该膜形成步骤可包括子步骤：在该衬底上以此顺序形成(沉积)要作为该第一和第二巨磁致电阻元件的自由层的层、要作为该第一和第二巨磁致电阻元件的间隔层的层、要作为第二巨磁致电阻元件的第一铁磁层的层、以及要作为该第二巨磁致电阻元件的该交换耦合层的层，从而形成第二预复合层(第二预复合层形成步骤)；从该第一巨磁致电阻元件形成在其上的区域完全除去该第二预复合层的要作为该交换耦合层的层，而在要具有该第二巨磁致电阻元件的区域中不除去该第二预复合层(第二交换耦合层去除步骤)；以及除去要作为该交换耦合层的层的步骤之后在层的整个上表面之上以此顺序形成(沉积)与该第一铁磁层具有相同成分的铁磁层以及要作为该第一和第二巨磁致电阻元件的钉扎层的层(第二额外层形成步骤)。
通过上面的方法，要作为该第二巨磁致电阻元件的包括该第一铁磁层和该第二铁磁层并且交换耦合层置于其间的复合层提供在一侧，且要作为第一巨磁致电阻元件的包括通过在该固定磁化层(或被钉扎层)中的两轮沉积形成的该铁磁层的另一复合层提供在另一侧。这样，容易地制造出在单衬底上具有该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的磁传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种磁传感器，其中包括该单层被钉扎固定磁化层的该第一巨磁致电阻元件和包括该多层被钉扎固定磁化层的该第二巨磁致电阻元件彼此交迭(使一个位于另一个之上)在单衬底上。
具体地，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件形成为彼此交迭(使一个位于另一个之上)在该衬底的主表面的相同位置处。另外，该第一巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化取向在反平行于该第二巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化方向(即第二方向)的方向(即第一方向)。
因此，不同于已知的磁传感器，该磁传感器还不需要两个巨磁致电阻元件为施加第一磁场和其方向180°不同于该第一磁场的方向的第二磁场到该巨磁致电阻元件而长间距地设置。即，可通过施加取向在单方向的磁场到两种类型的膜来制造该磁传感器，所述两种类型的膜以该两种类型的膜彼此交迭的方式形成在该衬底上：一种要作为该第一巨磁致电阻元件，且另一种要作为该第二巨磁致电阻元件。因此，本发明的该磁传感器中，具有180°不同的磁场探测方向的该两种类型的巨磁致电阻元件(即该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件)可接近地设置。从而，该磁传感器可以非常小。
通过设置该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件以使一个位于另一个之上，应力(张应力或压应力)基本一致地置于这些巨磁致电阻元件上，即使该衬底或覆盖该衬底的树脂涂层通过热或外应力等而变形。结果，甚至当这样的应力置于两种元件上时，该元件的电阻均匀变化(该元件的电阻变化几乎相同的量)。因此，通过采用一构造(例如桥电路)，其中得到该两种元件的电阻的差，对于磁传感器，所得磁传感器不会被这样的应力所影响。
该磁传感器还可包括由该单层被钉扎自旋阀膜定义的设置在该衬底上的第三巨磁致电阻元件和由该多层被钉扎自旋阀膜定义的设置在该衬底上以重叠该第三巨磁致电阻元件或在其下的第四巨磁致电阻元件。该第三巨磁致电阻元件中该铁磁层的磁化被固定在垂直于该第一方向的第三方向上，且该第四巨磁致电阻元件中该第一铁磁层的磁化被固定在反平行于该第三方向的第四方向。
该结构允许该磁传感器探测沿着两垂直方向的磁场分量(磁力)；因此，实现了垂直双向磁传感器。因为该第三巨磁致电阻元件和该第四巨磁致电阻元件可设置在该衬底上小区域中，如该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的情况，该垂直双向磁传感器可以是小的。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于制造上述磁传感器的方法。具体地，该方法包括：膜形成步骤，在该衬底上形成要作为该第一巨磁致电阻元件的膜和要作为该第二巨磁致电阻元件的膜，从而该膜之一交迭另一膜；以及磁场热处理步骤，在高温下施加取向在单方向的磁场到该膜以固定每个被钉扎层的磁化方向。
根据该磁场热处理，容易地固定该第一巨磁致电阻元件中该被钉扎层的磁化方向和该第二巨磁致电阻元件中该被钉扎层的磁化方向，从而这些磁化方向彼此反平行。因此，可容易地在单衬底上制造出其磁场探测方向彼此反平行的两种巨磁致电阻元件。
优选地，该磁场热处理步骤使用由包括多个基本矩形的实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，该永磁体每个具有垂直于该永磁体的中心轴的基本正方形的端表面。该永磁体以这样的方式小间距排列：该端表面的重心对应于四方格子的格点，且该永磁体的任意一个的极性与另外的被最短路线(距离)间隔开的相邻永磁体的极性相反。
优选地，该膜形成步骤包括子步骤：在该衬底上形成第一复合层，其要成为要作为该第一巨磁致电阻元件的膜和要作为该第二巨磁致电阻元件中膜之一(第一膜形成步骤)；除去该第一复合层的不必要区域(即不必要部分)(第一不必要区域去除步骤)；在除去该不必要区域之后用绝缘层涂敷该第一复合层(绝缘层形成步骤)；在该绝缘层上形成第二复合层，其要成为要作为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的的其它膜的膜(第二膜形成步骤)；以及除去该第二复合层的不必要区域(即不必要部分)。
采用上面的方法，容易地制造出在单衬底上具有该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件的磁传感器。
根据本发明的另一方面，本发明的磁传感器可包括：形成在该衬底上的四个巨磁致电阻元件，该四个巨磁致电阻元件中的每个包括单层被钉扎自旋阀膜；以及形成在该衬底上的四个巨磁致电阻元件，该四个巨磁致电阻元件中的每个包括多层被钉扎自旋阀膜，其中该多层被钉扎自旋阀膜分别重叠(位于)在该单层被钉扎自旋阀膜之上或之下。以全桥构造连接具有单层被钉扎自旋阀膜的该四个巨磁致电阻元件以形成用于探测在预定方向上的磁场的电路。以全桥构造连接该具有多层被钉扎自旋阀膜的该四个巨磁致电阻元件以形成用于探测在该预定方向上的磁场的另一电路。该磁传感器利用从这两个电路的输出来探测该预定方向的磁场。这样构造的该磁传感器可产生被置于该元件上的应力影响尽可能小的输出。
为了便于理解，下面要参考图69到75A和75B详细描述该形式。具体地，在该形式的磁传感器中，该第一巨磁致电阻元件(251G)和交迭在该第一巨磁致电阻元件(251G)之上或之下的该第二巨磁致电阻元件(261S)定义第十一元件组，且该第十一元件组设置于该衬底上第十一区域中。注意，图69中，每个实线环中的两个元件(例如第一巨磁致电阻元件251G和第二巨磁致电阻元件261S)在垂直于衬底210a的主表面的方向上(即Z轴方向)彼此交迭(即一个位于另一个之上)。
该磁传感器还包括由单层被钉扎自旋阀膜定义的第三巨磁致电阻元件(252G)和由该多层被钉扎自旋阀膜定义的第四巨磁致电阻元件(262S)。该第四巨磁致电阻元件(262S)在衬底上重叠在该第三巨磁致电阻元件(252G)之上或之下。该第三巨磁致电阻元件的铁磁层的磁化被固定在第一方向，且该第四巨磁致电阻元件的第一铁磁层的磁化被固定在第二方向。该第三巨磁致电阻元件和该第四巨磁致电阻元件定义第十二元件组，且该第十二元件组设置在该第十一区域中接近该第十一元件组。
该磁传感器还包括由单层被钉扎自旋阀膜定义且其中该铁磁层的磁化被固定在该第二方向的第五巨磁致电阻元件(253G)、由该多层被钉扎自旋阀膜定义的在该衬底上交迭在该第五巨磁致电阻元件之上或之下且其中该第一铁磁层的磁化被固定在该第一方向的第六巨磁致电阻元件(263S)、由单层被钉扎自旋阀膜定义且其中该铁磁层的磁化被固定在该第二方向的第七巨磁致电阻元件(254G)、以及由该多层被钉扎自旋阀膜定义的在该衬底上交迭在该第七巨磁致电阻元件之上或之下且其中该第一铁磁层的磁化被固定在该第一方向的第八巨磁致电阻元件(264S)。该第五巨磁致电阻元件(253G)和该第六巨磁致电阻元件(263S)定义第十三元件组，且该第十三元件组设置在该衬底上与该第十一区域间隔开的第十二区域中。该第七巨磁致电阻元件(254G)和该第八巨磁致电阻元件(264S)定义第十四元件组，且该第十四元件组设置在该第十二区域中接近该第十三元件组。
如图71A所示，该磁传感器中，该第一巨磁致电阻元件(251G)的一端连接到该第五巨磁致电阻元件(253G)的一端以形成第一子电路，该第三巨磁致电阻元件(252G)的一端连接到该第七巨磁致电阻元件(254G)的一端以形成第二子电路。第一电势(+V)施加到该第一巨磁致电阻元件(251G)的另一端和该第七巨磁致电阻元件(254G)的另一端，不同于该第一电势的第二电势(GND)施加到该第三巨磁致电阻元件(252G)的另一端和该第五巨磁致电阻元件(253G)的另一端。构造该磁传感器以输出该第一巨磁致电阻元件(251G)和该第五巨磁致电阻元件(253G)的连接点(Q210)与该第三巨磁致电阻元件(252G)和该第七巨磁致电阻元件(254G)的连接点(Q220)之间的电势差VoxConv。该电势差VoxConv被定义为传统GMR元件输出。
另外，如图72A所示，该第二巨磁致电阻元件(261S)的一端连接到该第六巨磁致电阻元件(263S)的一端以形成第三子电路，该第四巨磁致电阻元件(262S)的一端连接到该第八巨磁致电阻元件(264S)的一端以形成第四子电路。第三电势(可以与该第一电势+V相同)施加到该第二巨磁致电阻元件(261S)的另一端和该第八巨磁致电阻元件(264S)的另一端，不同于该第三电势的第四电势(可以与该第二电势GND相同)施加到该第四巨磁致电阻元件(262S)的另一端和该第六巨磁致电阻元件(263S)的另一端。构造该磁传感器以输出该第二巨磁致电阻元件(261S)和该第六巨磁致电阻元件(263S)的连接点(Q230)与该第四巨磁致电阻元件(262S)和该第八巨磁致电阻元件(264S)的连接点(Q240)之间的电势差VoxSAF。该电势差VoxSAF被定义为SAF元件输出。
此外，如图70所示，该磁传感器根据该传统GMR元件输出VoxConv和该SAF元件输出VoxSAF产生输出Vox。根据该传统GMR元件输出和该SAF元件输出的该输出可以是该传统GMR元件输出和该SAF元件输出之间的电势差、这两种输出的比值、或者利用这两种输出的其它值。
该磁传感器以与参考图30到34描述的前述磁传感器相同的方式工作。为了描述方便起见，假定：在其中磁场要被探测的方向的正方向反平行于该第一方向；该传统GMR元件输出VoxConv是通过从连接点Q210的电势减去连接点Q220的电势所得到的差；该SAF元件输出VoxSAF是从连接点Q230的电势减去连接点Q240的电势所得到的差。另外，假定该磁传感器输出通过从该SAF元件输出VoxSAF减去该传统GMR元件输出VoxConv所得到的差。
该示例中，随着要被探测的磁场的强度的增加，该传统GMR元件输出VoxConv如图71B所示地减小且该SAF元件输出VoxSAF如图72B所示地增大。从而，该磁传感器的输出Vox随着该磁场的强度的增加而增大，如图73所示。
该磁传感器中，应力(例如张应力或压应力)均匀地置于该第十一区域中元件(251G、252G、261S、262S)上。另外，应力(例如张应力或压应力)均匀地置于该第十二区域中元件(253G、254G、263S、264S)上。
如果压应力置于该第十一区域中元件上且张应力置于该第十二区域中元件上，同时要探测的磁场不变，该第十一区域中元件(251G、252G、261S、262S)的电阻均匀地减小且该第十二区域中元件(253G、254G、263S、264S)的电阻均匀地增大。于是，在连接点Q210和Q230的电势增加且在连接点Q220和Q240的电势减小。
从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv一起增加，因此该磁传感器的输出几乎不变。
如果张应力置于该第十一区域中元件上且压应力置于该第十二区域中元件上，同时要探测的磁场不变，该第十一区域中元件(251G、252G、261S、262S)的电阻均匀地增加且该第十二区域中元件(253G、254G、263S、264S)的电阻均匀地减小。于是，在连接点Q210和Q230的电势减小且在连接点Q220和Q240的电势增加。
从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv一起减小，因此该磁传感器的输出几乎不变。
此外，如果张应力置于全部元件上，则在该第十一区域和该第十二区域中元件的电阻全部均匀地增加。因此，在连接点Q210到Q240处的电势几乎不变。从而，该SAF元件输出VoxSAF和该传统GMR元件输出VoxConv几乎不变，因此该磁传感器的输出，即这两种输出的差，几乎不变。如果压应力置于全部元件上，在连接点Q210到Q240处的电势也几乎不变，因此该磁传感器的输出几乎不变。
如用范例所描述的，即使置于该元件的每个上的应力彼此不同，只要该外磁场保持不变，则该磁传感器可产生基本恒定的输出。因此，该磁传感器可准确地探测磁场。
根据本发明的另一方面，磁传感器可包括在单衬底上的：第一巨磁致电阻元件(第一巨磁致电阻元件膜)，其包括该单层被钉扎固定磁化层；第二巨磁致电阻元件(第二巨磁致电阻元件膜)，其包括多层被钉扎固定磁化层；以及多个偏置磁体膜，其用于施加偏置磁场到该巨磁致电阻元件。
该传感器中，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件在该衬底上彼此接近地设置。该第一巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化方向(即第一方向)反平行于该第二巨磁致电阻元件的被钉扎层的固定磁化方向(即第二方向)。即，该第一方向180°不同于该第二方向。
不同于已知磁传感器，该磁传感器还不需要为了施加第一磁场和其方向180°不同于该第一磁场的方向的第二磁场到该巨磁致电阻元件而长间距地设置两个巨磁致电阻元件。即，可通过施加取向在单方向的磁场到形成在该衬底上的两种类型的膜来制造该磁传感器，所述两种类型的膜为：要作为该第一巨磁致电阻元件的一种膜和要作为该第二巨磁致电阻元件的另一种膜。因此，该磁传感器中，具有180°不同的磁场探测方向的该两种类型的巨磁致电阻元件(即该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件)可以接近地设置。从而，该磁传感器可以非常小。
该多个偏置磁体膜(bias magnet film)包括设置在该衬底上从而与该第一巨磁致电阻元件的端部接触的第一偏置磁体膜、设置在该衬底上从而与该第二巨磁致电阻元件的端部接触的第二偏置磁体膜、以及设置在该衬底上从而与该第一巨磁致电阻元件的另一端和第二巨磁致电阻元件的另一端接触的第三偏置磁体膜。该第一偏置磁体膜对该第一巨磁致电阻元件施加取向在基本垂直于该第一方向的第三方向上的偏置磁场。该第二偏置磁体膜对该第二巨磁致电阻元件施加取向该第三方向上的偏置磁场。该第三偏置磁体膜对该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件两者施加取向在该第三方向上的偏置磁场。
该偏置磁体膜的每个产生一偏置磁场，该偏置磁场用于当没有外磁场施加在该第一或该第二巨磁致电阻元件上时，使该自由层的磁化取向在基本垂直于相应的固定磁化层的磁化方向的方向上。该偏置磁体膜的存在减小该磁传感器对于外磁场的磁滞。通常，该偏置磁体膜设置在该第一巨磁致电阻元件的两端和该第二巨磁致电阻元件的两端。
为了小型化该磁传感器，优选的是，该第一巨磁致电阻元件设置为尽可能地接近该第二巨磁致电阻元件。因此，根据本发明一方面的磁传感器中，提供公共偏置磁体膜(第三偏置磁体膜)以与该第一巨磁致电阻元件的一端以及该第二巨磁致电阻元件的一端相接触。该公共偏置磁体膜代替传统磁传感器的至少两个偏置磁体膜，且允许该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件彼此非常接近地设置。因此，该磁传感器的尺寸可以是小的。此外，因为与该第三偏置磁体膜接触的两个元件通过该第三(公共)偏置磁体膜彼此电耦合，因此不必要经导线连接这两个元件。因此，可以更便宜地提供桥构造的这些巨磁致电阻元件。
具有这样的公共偏置磁体膜的磁传感器中，该第一巨磁致电阻元件可以配置为多个单层被钉扎自旋阀膜(该第一巨磁致电阻元件膜)串联连接，且该第二巨磁致电阻元件可以配置为多个多层被钉扎自旋阀膜(该第二巨磁致电阻元件膜)串联连接。另外，具有这样的公共偏置磁体膜的磁传感器中，该磁传感器可包括一对该第一巨磁致电阻元件(或该第一巨磁致电阻元件膜)和一对该第二巨磁致电阻元件(或该第二巨磁致电阻元件膜)，其被连接以形成全桥电路。
具体地，具有这样的公共偏置磁体膜的磁传感器可以是具有包括第一子电路和第二子电路的全桥电路的磁传感器。该第一子电路以这样的方式配置：第一电势施加到该第一巨磁致电阻元件的一端；该第一巨磁致电阻元件的另一端连接到该第二巨磁致电阻元件的一端；以及第二电势通过例如接地施加到该第二巨磁致电阻元件的另一端。该第二子电路以这样的方式构造：该第一电势施加到另一第二巨磁致电阻元件的一端；该第二巨磁致电阻元件的另一端连接到另一第一巨磁致电阻元件的一端；且第二电势施加到该第一巨磁致电阻元件的另一端。这样形成的磁传感器被配置为输出该第一子电路中第一巨磁致电阻元件与第二巨磁致电阻元件的连接点和该第二子电路中第一巨磁致电阻元件与第二巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。供选地，该磁传感器可以是具有单第一巨磁致电阻元件和单第二巨磁致电阻元件的半桥电路传感器，其中这些元件以半桥构造连接，从而输出该第一巨磁致电阻元件与该第二巨磁致电阻元件的连接点处的电势。
这些结构中，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件可以每个具有窄条形部分，其沿基本垂直于该第一方向的相同方向从该第三偏置磁体膜延伸。供选地，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件可以每个具有窄条形部分，且该窄条形部分沿基本垂直于该第一方向的方向延伸在一列，第三偏置磁体膜设置在其间。两种情况中，通常使用在传统磁传感器中的两个偏置磁体膜被单偏置磁体膜(该公共偏置磁体膜或第三偏置磁体膜)代替，因此该磁传感器可以更小。
优选地，该磁传感器还包括绝缘层，且当从上观察时该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件彼此部分交叉，该绝缘层在它们之间。
这样构造的磁传感器中，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件彼此交叉(当从上观察时)，从而，该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件可彼此更接近。
另外优选的是，该磁传感器还包括绝缘层，且该第一偏置磁体膜、该第二偏置磁体膜、以及该第三偏置磁体膜的每个具有梯形(trapezoidal)截面，从而该偏置磁体膜的每个具有相对于该衬底的表面的斜面(slants)和平行于该衬底的上表面的上表面。该第一巨磁致电阻元件的一端与该第一偏置磁体膜的斜面接触且另一端与该第三偏置磁体膜的斜面接触。该第一巨磁致电阻元件末端之间的部分毗邻(位于)该衬底的上表面上。该第一巨磁致电阻元件被覆盖有绝缘层。该绝缘层的上表面与该第一到第三偏置磁体膜的上表面平齐。该第二巨磁致电阻元件的一端与该第二偏置磁体膜的上表面接触且另一端与该第三偏置磁体膜的上表面接触。该第二巨磁致电阻元件的端部之间的部分毗邻(位于)该绝缘层的上表面上。
供选地，该第二巨磁致电阻元件的一端与该第二偏置磁体膜的斜面接触且另一端与该第三偏置磁体膜的斜面接触。该第二巨磁致电阻元件的端部之间的部分毗邻(位于)该衬底的上表面上。该第二巨磁致电阻元件被覆盖有绝缘层。该绝缘层的上表面与该第一到第三偏置磁体膜的上表面平齐。该第一巨磁致电阻元件的一端与该第一偏置磁体膜的上表面接触且另一端与该第三偏置磁体膜的上表面接触。该第一巨磁致电阻元件的端部之间的部分毗邻(位于)该绝缘层的上表面上。
为了从该偏置磁体膜施加偏置磁场到该巨磁致电阻元件，该巨磁致电阻元件和它们各自的偏置磁体膜应该彼此磁耦合。在上述结构中，该巨磁致电阻元件与它们各自的偏置磁体膜接触，从而偏置磁场容易地施加到该巨磁致电阻元件。
根据本发明的另一方面，提供另一种用于制造该磁传感器的方法。该方法包括步骤：准备单衬底(衬底准备步骤)；在该衬底上形成要作为该第一到第三偏置磁体膜的膜(偏置磁体膜形成步骤)；在该衬底的上表面以及该第一到第三偏置磁体膜的上表面上形成要作为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件之一的第一膜(第一膜形成步骤)；形成绝缘层以覆盖要作为该偏置磁体膜的膜以及该第一膜的上表面(绝缘层形成步骤)；通过除去该绝缘层、要作为该偏置磁体膜的膜、以及该第一膜来平坦化该绝缘层、要作为该偏置磁体膜的膜、以及该第一膜的上表面，从而要作为该偏置磁体膜的膜的上表面被暴露(平坦化步骤)；在该平坦化的表面上形成要作为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件中另一个的第二膜(第二膜形成步骤)；以及通过在高温下施加取向在单方向的磁场到该第一膜和该第二膜来进行磁场热处理，从而固定该被钉扎层的磁化方向(磁场热处理步骤或热退火步骤)。
通过上面的方法，首先形成偏置磁体膜，随后形成要作为该第一巨磁致电阻元件和该第二巨磁致电阻元件之一的膜(包括构图该膜成为预定形状的步骤)，然后在整个表面上沉积绝缘层。
随后，该绝缘层被部分去除，从而该偏置磁体膜的上表面被暴露且与该绝缘层的表面平齐。然后，形成要作为另一巨磁致电阻元件的另一膜(包括构图该膜成为预定形状的步骤)。最后，实施磁场热处理以固定该被钉扎层的磁化方向。
在上面的方法中，通过该磁场热处理，该第一巨磁致电阻元件中被钉扎层的磁化方向和该第二巨磁致电阻元件中该被钉扎层的磁化方向容易地被固定，使得这些磁化方向彼此反平行。因此，其磁场探测方向反平行的两个巨磁致电阻元件可容易地制造出且彼此接近地设置。
另外，因为该第一巨磁致电阻元件与该第二巨磁致电阻元件通过该绝缘层电绝缘，因此可以容易地制造具有彼此接近地设置的这两个元件的磁传感器。此外，该第一和该第二巨磁致电阻元件可以以这样的方式设置：该元件之一重叠在另一个之上或之下(一个位于另一个之上)，或者在竖直方向彼此交叉。因此，所得磁传感器可以更小。
对于上面的结构，优选地，要作用于该第一到第三偏置磁体膜的膜每个形成为具有相对于该衬底的表面的斜面。
因为每个偏置磁体膜具有斜面，该第一膜的端部可以容易地接触到该偏置磁体膜的斜面。另外，因为每个偏置磁体膜的上表面被暴露时进行该第二膜的形成，所以该第二膜可以容易地接触到该偏置磁体膜的上表面。
优选地，该磁场热处理使用由包括多个基本矩形的实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，该永磁体具有垂直于该永磁体之一的中心轴的正方形端表面。该永磁体以这样的方式小间距排列：该端表面的重心对应于四方格子的格点，且该永磁体的任何一个的极性与被最短路线间隔开的其它相邻永磁体的极性相反(即每个永磁体具有与其相邻永磁体的极性相反的极性)。
因此，具有180°不同的磁场探测方向的至少两个巨磁致电阻元件可以容易地且有效地形成在单衬底上小区域中。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的磁传感器(N型)的平面图；
图2是图1所示的传统GMR元件的放大平面图；
图3是沿图2中线1-1截取的传统GMR元件的示意性剖视图；
图4A是图1所示的传统GMR元件的示意性表示；
图4B是图1所示的传统GMR元件的概念性透视图；
图4C是示出图1所示的传统GMR元件的电阻响应于外磁场的变化的曲线图；
图5A是图1所示的SAF元件的结构的示意图；
图5B是图1所示的SAF元件的概念性透视图；
图5C是示出图1所示的SAF元件的电阻响应于外磁场的变化的曲线图；
图6A是包括在图1所示的该磁传感器中的X轴磁传感器的等效电路；
图6B是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，该X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图7A是包括在图1所示的该磁传感器中的Y轴磁传感器的等效电路；
图7B是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，该Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图8是用于制造图1所示的该磁传感器的晶片(衬底)的局部平面图；
图9是用于固定图1所示的该磁传感器的被钉扎层的磁化的磁体阵列的平面图；
图10是沿图9中2-2线截取的磁体阵列的剖视图；
图11是图9中的磁体阵列的永磁体中的五个的透视图；
图12是用于固定图1所示的磁传感器中的传统GMR元件以及SAF元件的被钉扎层的磁化方向的磁体阵列和晶片的局部平面图；
图13是关系图，示出磁场热处理中的磁场方向与所得的传统GMR元件的特性之间的每种关系；
图14是是关系图，示出磁场热处理中的磁场方向与所得的传统GMR元件或SAF元件的特性之间的每种关系；
图15是根据本发明第一实施例的磁传感器(S型)的平面图；
图16A是根据用于制造图1所示的磁传感器的第一方法，用于在衬底上形成要作为传统GMR元件和SAF元件的膜的步骤的制造工艺视图；
图16B是跟着图16A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图16C是跟着图16B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图17A是跟着图16C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图17B是跟着图17A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图17C是跟着图17B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图18A是跟着图17C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图18B是跟着图18A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图18C是跟着图18B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图19A是跟着图18C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图19B是跟着图19A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图19C是跟着图19B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图20A是跟着图19C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图20B是跟着图20A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图20C是跟着图20B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图21A是跟着图20C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图21B是跟着图21A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图22A是根据用于制造图1所示的磁传感器的第二方法，用于在衬底上形成要作为传统GMR元件和SAF元件的膜的步骤的制造工艺视图；
图22B是跟着图22A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图22C是跟着图22B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图23A是跟着图22C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图23B是跟着图23A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图24A是跟着图23B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图24B是图24A所示的第一SAF复合层的放大视图；
图25A是跟着图24A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图25B是图25A所示的抗蚀剂层R5的端部及该端部的附近的放大视图；
图26A是跟着图25A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图26B是通过图26A所示的步骤形成的抗蚀剂层R5的端部的放大视图；
图26C是跟着图26A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图27A是跟着图26C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图27B是通过图27A所示的步骤形成的Ru层及其附近的层的放大视图；
图28A是跟着图27A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图28B是跟着图28A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图28C是跟着图28B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图29是示出根据用于制造图1所示的磁传感器的第三方法，用于形成要作为传统GMR元件和SAF元件的膜的步骤的流程图；
图30是根据本发明第二实施例的磁传感器的平面图；
图31是包括在图30所示的磁传感器中的X轴磁传感器的电路的框图；
图32A是包括在图30所示的磁传感器中的第一X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图32B是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，该第一X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图33A是包括在图30所示的磁传感器中的第二X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图33B是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，该第二X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图34是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，图30所示的磁传感器的X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图35是包括在图30所示的磁传感器中的Y轴磁传感器的电路的框图；
图36A是包括在图30所示的磁传感器中的第一Y轴磁传感器的等效电路的示意图；
图36B是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，该第一Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图37A是包括在图30所示的磁传感器中的第二Y轴磁传感器的等效电路的示意图；
图37B是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，图30所示的该第二Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图38是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，图30所示的磁传感器的Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图39是根据本发明第三实施例的磁传感器的元件组的平面图；
图40是根据该第三实施例的磁传感器的另一元件组的平面图；
图41是根据本发明第四实施例的磁传感器的平面图；
图42是图41所示的磁传感器的X轴磁探测元件组的平面图；
图43是图41所示的磁传感器的Y轴磁探测元件组的平面图；
图44A是根据本发明的修改的磁传感器的等效电路的示意图；
图44B是根据本发明的另一修改的磁传感器的等效电路的示意图；
图45A是公知磁传感器的等效电路的示意图；
图45B是示出响应于外磁场，该公知磁传感器的输出的变化的曲线图；
图46是该公知磁传感器的平面图；
图47是用于固定该公知磁传感器的固定磁化层的磁化方向的磁体阵列中的永磁体中的五个的透视图；
图48是当该固定磁化层的磁化方向被固定时，图47所示的磁体阵列和晶片之间的位置关系的平面图；
图49是根据本发明第五实施例的磁传感器(N型)的平面图；
图50是图49所示的传统GMR元件的放大平面图；
图51是图49所示的SAF元件的放大平面图；
图52是图49所示的第六元件组(包括传统GMR元件和SAF元件)的放大平面图；
图53是沿图52的53-53线截取的第六元件组的示意性剖视图；
图54A是包括在图49所示的磁传感器中的X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图54B是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，图49所示的X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图55A是包括在图49所示的磁传感器中的Y轴磁传感器的等效电路的示意图；
图55B是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，图49所示的Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图56是用于制造图49所示的磁传感器的晶片(衬底)的局部平面图；
图57是图9所示的磁体阵列中的永磁体的五个的透视图；
图58是用于固定图49所示的磁传感器的传统GMR元件和SAF元件的被钉扎层的磁化方向的磁体阵列和晶片的局部平面图；
图59是关系图，示出磁场热处理中的磁场方向与所得的传统GMR元件的特性之间的每种关系；
图60是根据本发明第五实施例的磁传感器(S型)的平面图；
图61A是根据用于制造图49所示的磁传感器的方法，用于在衬底上形成要作为传统GMR元件和SAF元件的膜的步骤的制造工艺视图；
图61B是跟着图61A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图61C是跟着图61B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图62A是跟着图61C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图62B是跟着图62A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图62C是跟着图62B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图63A是跟着图62C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图63B是跟着图63A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图63C是跟着图63B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图64A是跟着图63C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图64B是跟着图64A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图64C是跟着图64B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图65A是跟着图64C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图65B是跟着图65A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图65C是跟着图65B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图66A是跟着图65C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图66B是跟着图66A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图66C是跟着图66B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图67A是跟着图66C所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图67B是跟着图67A所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图67C是跟着图67B所示的步骤的步骤的制造工艺视图；
图68是根据本发明第六实施例的磁传感器的第六元件组的放大平面图；
图69是根据本发明第七实施例的磁传感器的平面图；
图70是包括在图69所示的磁传感器中的X轴磁传感器的电路的框图；
图71A是包括在图69所示的磁传感器中的第一X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图71B是示出响应于外磁场在正X轴方向的分量，第一X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图72A是包括在图69所示的磁传感器中的第二X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图72B是示出响应于外磁场在正X轴方向的分量，图69所示的第二X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图73是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，图69所示的磁传感器的X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图74是包括在图69所示的磁传感器中的Y轴磁传感器的电路的框图；
图75A是包括在图69所示的磁传感器中的第一Y轴磁传感器的等效电路的示意图；
图75B是示出响应于外磁场在正Y轴方向的分量，第一Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图76A是包括在图69所示的磁传感器中的第二Y轴磁传感器的等效电路的示意图；
图76B是是示出响应于外磁场在正Y轴方向的分量，图69所示的第二Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图77是示出响应于外磁场在正Y轴方向上的分量，图69所示的磁传感器的Y轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图78A是根据本发明第八实施例的磁传感器的平面图；
图78B是图78A所示的磁传感器的等效电路的示意图；
图79是根据本发明另一修改的磁传感器的等效电路的示意图；
图80是根据本发明第九实施例的磁传感器(N型)的平面图；
图81是图80所示的磁传感器的X轴磁传感器的放大平面图；
图82是沿图81的线1-1截取的X轴磁传感器的剖视图；
图83是沿图81的线2-2截取的X轴磁传感器的剖视图；
图84A是图81所示的X轴磁传感器的等效电路的示意图；
图84B是示出响应于外磁场在正X轴方向上的分量，图81所示的X轴磁传感器的输出的变化的曲线图；
图85是用于制造图80所示的磁传感器的方法的一步骤的制造工艺视图；
图86是用于制造图80所示的磁传感器的方法的一步骤的制造工艺视图；
图87是用于制造图80所示的磁传感器的方法的一步骤的制造工艺视图；
图88是用于制造图80所示的磁传感器的晶片(衬底)的局部平面图；
图89是图9所示的磁体阵列中的永磁体的五个的透视图；
图90是用于固定图80所示的磁传感器的传统GMR元件和SAF元件的被钉扎层的磁化方向的磁体阵列和晶片的局部平面图；
图91是当它们在磁场中经历热处理时，传统GMR元件和SAF元件的特性与该磁场的方向之间的关系图；
图92是包括在根据本发明第十实施例的磁传感器中的X轴磁传感器的平面图；
图93是包括在根据第十一实施例的磁传感器中的X轴磁传感器的平面图；
图94是沿图93的线4-4截取的X轴磁传感器的剖视图；以及
图95是图93所示的X轴磁传感器的等效电路的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的磁传感器的实施例。
第一实施例
磁传感器结构
图1是根据本发明第一实施例的磁传感器10的平面图。磁传感器10包括单衬底(单片芯片)10a和总共八个巨磁致电阻元件11到14和21到24。为了方便起见，将磁传感器10称为“N型磁传感器10”。
衬底10a是由硅制成的薄硅片。平面图中，衬底10a具有由沿着相互正交的X轴和Y轴延伸的四边定义的矩形(基本正方形)形状。衬底10a沿着与X和Y轴正交的Z轴具有小的厚度。
巨磁致电阻元件11、12、21、以及22是传统GMR元件。其它的巨磁致电阻元件13、14、23、以及24是具有包括多层被钉扎固定磁化层的合成自旋阀膜(synthetic spin-valve film)的元件(为了方便起见，下文中称为“SAF元件”，后面要详细描述)。
本实施例中，巨磁致电阻元件11、12、13、以及14可以分别被称为第一、第二、第三、以及第四X轴磁探测元件；巨磁致电阻元件21、22、23、以及24可以分别被称为第一、第二、第三、以及第四Y轴磁探测元件。传统GMR元件11和12可以被称为第一巨磁致电阻元件；SAF元件13和14可以被称为第二巨磁致电阻元件；传统GMR元件21和22可以被称为第三巨磁致电阻元件；SAF元件23和24可以被称为第四巨磁致电阻元件。
传统GMR元件11、12、21、以及22基本具有相同的结构，除了它们在衬底10a上的位置。下面的描述说明传统GMR元件11的结构作为代表性示例。
图2是传统GMR元件11的放大平面图，图3是沿图2的线1-1截取的传统GMR元件11的示意性剖视图。如图2和3所示，传统GMR元件11包括多个(本例中为六个)窄条形部分11a1到11a6、多个(本例中为7个)偏置磁体膜11b1到11b7、以及一对端子(连接部分)11c1和11c2。
窄条形部分11a1到11a6每个沿Y轴方向延伸。该窄条形部分11a1设置在X轴方向上的最正的侧。窄条形部分11a1沿Y轴方向的负端形成在偏置磁体膜11b1上。偏置磁体膜11b1连接到端子11c1。窄条形部分11a1的另一端，或沿Y轴方向的正端，形成在偏置磁体膜11b2上。
与窄条形部分11a1相邻的窄条形部分11a2在沿X轴方向的负侧的一端形成在偏置磁体膜11b2上且在偏置磁体膜11b2上连接到窄条形部分11a1。窄条形部分11a2的另一端形成在偏置磁体膜11b3上。
与窄条形部分11a2相邻的窄条形部分11a3在沿X轴方向的负侧的一端形成在偏置磁体膜11b3上且在偏置磁体膜11b3上连接到窄条形部分11a2。窄条形部分11a3的另一端形成在偏置磁体膜11b4上。
与窄条形部分11a3相邻的窄条形部分11a4在沿X轴方向的负侧的一端形成在偏置磁体膜11b4上且在偏置磁体膜11b4上连接到窄条形部分11a3。窄条形部分11a4的另一端形成在偏置磁体膜11b5上。
与窄条形部分11a4相邻的窄条形部分11a5在沿X轴方向的负侧的一端形成在偏置磁体膜11b5上且在偏置磁体膜11b5上连接到窄条形部分11a4。窄条形部分11a5的另一端形成在偏置磁体膜11b6上。
与窄条形部分11a5相邻的窄条形部分11a6在沿X轴方向的负侧的一端形成在偏置磁体膜11b6上且在偏置磁体膜11b6上连接到窄条形部分11a5。窄条形部分11a6的另一端形成在偏置磁体膜11b7上。偏置磁体膜11b7连接到端子11c2。如上所述，传统GMR元件11具有以迂回(锯齿形)方式串联连接的多个窄条形部分。
窄条形部分11a1到11a6中的每个由图4A所示的传统自旋阀膜组成。该自旋阀膜包括形成(沉积)在衬底10a上的自由层F、形成在自由层F上的间隔层S、形成在间隔层S上的固定磁化层P、以及形成在固定磁化层P上的保护层(盖帽层)C。实际上，由SiO2或SiN形成的绝缘/布线(wiring)层(未示出)可形成在衬底10a和自由层F之间。
自由层F的磁化方向根据外磁场的方向而改变。自由层F包括形成在衬底10a上的CoZrNb非晶磁层、形成在该CoZrNb非晶磁层上的NiFe磁层、以及形成在该NiFe磁层上的CoFe磁层。这些层组成软铁磁膜。
因为窄条形部分11a1到11a6沿Y轴方向延伸，自由层F也沿Y轴方向延伸以具有沿Y轴方向的纵向方向。当外磁场未施加到自由层F时，由于形状各向异性(单轴各向异性)，自由层F的磁化(下文中也称为“初始磁化”)取向在自由层F的纵向方向(对于传统GMR元件11是正Y轴方向)。
间隔层S由非磁导电材料制成(本实施例中为Cu)。
固定磁化层P是单层被钉扎固定磁化层，其是由CoFe制成的铁磁层Pd和由含有45到55摩尔％的Pt的PtMn合金制成的反铁磁层Pi的叠层。CoFe磁层Pd的磁化(磁化矢量)通过与作为钉扎层的反铁磁层Pi的交换耦合而被固定在正X轴方向上，从而作为被钉扎层。每个传统GMR元件中被钉扎层的固定磁化方向是由CoFe制成的磁层Pd的磁化方向。
保护层C由钛(Ti)或者钽(Ta)制成。
再次参考图2和3，偏置磁体膜11b1到11b7由具有高矫顽力和高剩磁率(remanence ratio)的硬磁材料例如CoCrPt制成，且被磁化以作为永磁膜(hard magnet film：硬磁膜)。偏置磁体膜11b1到11b7中的每个与形成在该磁膜的每个的正上面的自由层F磁耦合，且沿自由层F的纵向方向施加磁场到自由层F(对传统GMR元件11是正Y轴方向)。
采用上面的结构，传统GMR元件11的电阻等于窄条形部分11a1到11a6的电阻的总和，且从端子11c1和11c2处得到。因此，如图4B和4C所示，传统GMR元件11具有根据外磁场H而变化的电阻，所述外磁场H沿固定磁化层P中CoFe磁层Pd的固定磁化方向(本情况中为正X轴方向)在-Hc到+Hc的范围内变化。即，该电阻随着沿正X轴方向的外磁场的强度的增加而减小。换言之，传统GMR元件11探测沿反平行于(180°不同于)邻接(毗邻)间隔层S的CoFe磁层Pd的固定磁化方向的方向的磁场。此示例中，传统GMR元件11对于沿Y轴变化的外磁场表现出基本恒定的电阻。
关于SAF元件13、14、23、以及24，这些元件具有基本相同的结构，除了它们在衬底10a上的位置。下面的描述说明SAF元件13的结构作为代表性示例。
SAF元件13具有与传统GMR元件11几乎相同的膜结构，除了它的自旋阀膜结构。SAF元件13是图5A所示的合成自旋阀膜。该合成自旋阀膜包括形成在衬底10a上的自由层F、形成在自由层F上的间隔层S、形成在间隔层S上的固定磁化层P′、以及形成在固定磁化层P′上的保护层(盖帽层)C。
合成自旋阀膜中，自由层F、间隔层S、以及保护层C具有与图4A所示的传统自旋阀膜的这些相同的结构。换言之，如上面提到的，仅固定磁化层P′具有不同于传统自旋阀膜的固定磁化层P的结构。
固定磁化层P′是多层被钉扎固定磁化层，其是由CoFe制成的第一铁磁层P1、由Ru制成且形成在第一铁磁层P1上的交换耦合层Ex、由CoFe制成且形成在交换耦合层Ex上的第二铁磁层P2、以及由含有45到55摩尔％的Pt的PtMn合金制成的交换偏置层(反铁磁层)Eb的叠层。即，以此顺序沉积第一铁磁层P1、交换耦合层Ex、第二铁磁层P2、交换偏置层Eb。
交换耦合层Ex以夹层方式位于第一铁磁层P1和第二铁磁层P2之间。第一铁磁层P1作为被钉扎层，因为交换耦合层Ex和第二铁磁层P2的共同作用，其磁化方向被固定从而不响应于外磁场的变化而改变。交换偏置层Eb作为钉扎层，用于与第二铁磁层P2和交换耦合层Ex一起固定第一铁磁层P1的磁化方向，第一铁磁层P1是被钉扎层。注意，替代地，第一铁磁层P1、交换耦合层Ex、以及第二铁磁层P2可一起被称为被钉扎层。
交换偏置层Eb与第二铁磁层P2建立交换耦合以固定第二铁磁层P2的磁化(磁化矢量)在正X轴方向。第一铁磁层P1和第二铁磁层P2通过其间的交换耦合层Ex交换耦合。因此，第一铁磁层P1的磁化方向反平行于第二铁磁层P2的磁化方向，如图5B中箭头所示。从而，第一铁磁层P1的磁化被固定在负X轴方向。
具有上述结构的SAF元件13具有根据外磁场H而变化的电阻，所述外磁场H沿固定磁化层P′中第一铁磁层(被钉扎层)P1的固定磁化方向在-Hc到+Hc的范围内变化，如图5C所示。即，该电阻随着沿正X轴方向的外磁场的强度的增加而增加。换言之，SAF元件13探测沿反平行于邻接(毗邻)间隔层S的第一磁层P1的固定磁化方向的方向的磁场。此示例中，SAF元件13对于沿Y轴变化的外磁场表现出基本恒定的电阻。
再参考图1，传统GMR元件11设置在衬底10a的沿X轴正方向的端部的附近且在衬底10a的沿Y轴方向的上中位置。传统GMR元件11的磁场探测方向是负X轴方向。传统GMR元件12设置在衬底10a的沿X轴正方向的端部的附近且在衬底10a的沿Y轴方向的下中位置。传统GMR元件12的磁场探测方向是负X轴方向。
SAF元件13设置在衬底10a的沿Y轴方向的上中位置且在传统GMR元件11的沿X轴方向的负侧，其间有短的距离。SAF元件13的磁场探测方向是正X轴方向。SAF元件14设置在衬底10a的沿Y轴方向的下中位置且在传统GMR元件12的沿X轴方向的负侧，其间有短的距离。SAF元件14的磁场探测方向是正X轴方向。
如上所述，这些元件11到14彼此相邻地设置在衬底10a的沿X轴正方向的端部附近的区域中(第一小区域)。
传统GMR元件21设置在衬底10a的沿Y轴正方向的端部的附近且在衬底10a的沿X轴方向的左中位置。传统GMR元件21的磁场探测方向是负Y轴方向。传统GMR元件22设置在衬底10a的沿Y轴正方向的端部的附近且在衬底10a的沿X轴方向的右中位置。传统GMR元件22的磁场探测方向是负Y轴方向。
SAF元件23设置在衬底10a的沿X轴方向的左中位置且在传统GMR元件21的沿Y轴方向的负侧，其间有短的距离。SAF元件23的磁场探测方向是正Y轴方向。SAF元件24设置在衬底10a的沿X轴方向的右中位置且在传统GMR元件22的沿Y轴方向的负侧，其间有短的距离。SAF元件24的磁场探测方向是正Y轴方向。
如上所述，这些元件21到24彼此相邻地设置在衬底10a的沿Y轴正方向的端部附近的区域中(以预定距离离开第一小区域的第二小区域)。
磁传感器10包括由元件11到14组成的X轴磁传感器(其磁场探测方向沿X轴方向)和由元件21到24组成的Y轴磁传感器(其磁场探测方向沿Y轴方向)。
如图6A的等效电路所示，X轴磁传感器包括通过图1未示出的导电线以全桥构造连接的元件11到14。图6A中与元件11到14相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性，即，响应于沿X轴方向变化的外磁场(外磁场H沿着正X轴方向的分量Hx)的强度的电阻R的变化。传统GMR元件每个由跟着它们各自附图标记的“Conv”表示；SAF元件每个由跟着它们各自附图标记的“SAF”表示。整个说明书中，这样的曲线图以及字母“Conv”和“SAF”在类似附图中有相似的意义。
下面要进一步详细说明X轴磁传感器。传统GMR元件11的一端连接到SAF元件13的一端以形成第一子电路。第一电势+V(图中未示出的恒定电压源提供的恒定电压)施加到传统GMR元件11的另一端。SAF元件13的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到SAF元件13的该另一端。
另外，传统GMR元件12的一端连接到SAF元件14的一端以形成第二子电路。第一电势+V施加到SAF元件14的另一端。传统GMR元件12的另一端接地(连接到GND)。换言之，第二电势施加到传统GMR元件12的该另一端。
传统GMR元件11和SAF元件13相连接的连接点Q1处的电势VQ1与传统GMR元件12和SAF元件14连接的连接点Q2处的电势VQ2之间的电势差Vox(＝VQ2-VQ1)作为X轴磁传感器的输出(第一输出)被得到。因此，X轴磁传感器输出电压Vox，其与外磁场Hx基本成比例且随着外磁场Hx增加而减小，如图6B所示。
如图7A的等效电路所示，Y轴磁传感器包括通过图1未示出的导电线以全桥构造连接的元件21到24。图7A中与元件21到24相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性，即，响应于沿Y轴方向变化的外磁场(外磁场H沿着正Y轴方向的分量Hy)的强度的电阻R的变化。
下面要进一步详细说明Y轴磁传感器。传统GMR元件21的一端连接到SAF元件23的一端以形成第三子电路。第一电势+V施加到传统GMR元件21的另一端。SAF元件23的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势差施加到SAF元件23的该另一端。
另外，传统GMR元件22的一端连接到SAF元件24的一端以形成第四子电路。第一电势+V施加到SAF元件24的另一端。传统GMR元件22的另一端接地(连接到GND)。换言之，第二电势施加到传统GMR元件22的该另一端。
传统GMR元件21和SAF元件23连接的连接点Q3处的电势VQ3与传统GMR元件22和SAF元件24连接的连接点Q4处的电势VQ4之间的电势差Voy(＝VQ3-VQ4)作为Y轴磁传感器的输出(第二输出)被得到。因此，Y轴磁传感器输出电压Voy，其与在Y轴方向变化的外磁场Hy基本成比例且随着外磁场Hy增加而增加，如图7B所示。
被钉扎层的磁化方向的固定
现在要描述一种用于固定元件11到14和21到24的被钉扎层的磁化方向的技术。首先，对应于元件11到14和21到24的多个膜M以岛状方式形成在后面将要成为衬底10a的衬底10a-1上，如图8的平面图所示。这些膜M设置为使得当衬底10a-1在切割步骤中沿着图8中的点画线CL切割成多个如图1所示的磁传感器10时，元件11到14以及21到24如图1所示地排列在衬底10a上。稍后要描述如何形成这些膜M。
准备图9和10所示的磁体阵列30。图9是磁体阵列30的平面图。图10是沿图9的2-2线截取的磁体阵列30的剖视图。磁体阵列30包括多个矩形实心永磁体(条形永磁体)31和透明石英玻璃制成的板32。以四方格子方式排列永磁体31，它们的上表面被固定到板32的下表面。永磁体31排列为这种方式：任何两个相邻永磁体31的在相同平面中的端表面具有彼此相反的极性。
即，磁体阵列30具有多个基本矩形的实心永磁体31，每个具有垂直于该永磁体之一的中心轴的基本正方形的截面。以小间距排列永磁体31使得该永磁体的端表面的重心中的每个对应四方格子的格点中的每个，且它们的磁极具有与它们的相邻永磁体31的磁极的极性相反的极性，端表面具有与该截面相同的形状。
图11是永磁体31中的五个的透视图。图11清楚地示出，永磁体31的端表面(设有磁极的表面)产生磁场，其磁场线从N极指向其相邻的S极。即，在磁体阵列30之上产生具有彼此90°不同的方向的磁场。本实施例中，这些磁场被用于固定元件11到14和21到24中被钉扎层的磁化方向。
接下来，具有膜M的衬底10a-1被设置在磁体阵列30之上。具体地，衬底10a-1和磁体阵列30以一相对位置关系放置，使得通过沿CL线切割衬底10a-1形成的每个方形的没有膜M与其相邻的两个相邻边以及它们的交叉点与相应的永磁体的两个相邻边及其它们的交叉点对齐，如图12中的平面图所示。因此，每个膜M被暴露于沿垂直于膜M的窄条形部分的纵向方向的方向取向的磁场，如图11和12中的箭头所示。
然后，这样的一组衬底10a-1和磁体阵列30在真空中被加热到250到280℃且然后允许保持约4小时用于磁场热处理。结果，传统GMR元件的固定磁化层P(被钉扎层Pd)和SAF元件的固定磁化层P′(被钉扎层P1)的磁化方向被固定。
现在参考图13，例如，为了形成两个接近地设置的其磁场探测方向彼此反平行(180°不同)的传统GMR元件，磁场热处理期间施加在膜中的要成为传统GMR元件之一的一个膜M1的磁场必须沿反平行于施加在要成为另一个传统GMR元件的另一个膜M2上的磁场的方向的方向取向。然而，通常难以在小区域中产生大的反平行磁场。因为，在公知工艺中，以较大的距离设置两个传统GMR元件以允许它们分别暴露于从磁体阵列30的一N极到其两个相邻S极(或者从磁体阵列30的一S极到其两个相邻N极)的两个反平行磁场。
另一方面，如图14所示，如果取向在相同方向的磁场被施加到分别要成为一传统GMR元件和一SAF元件的两个接近地设置的膜M3和M4以用于磁场热处理，则产生其磁场探测方向彼此反平行的巨磁致电阻元件。这是因为要成为传统GMR元件的膜中固定磁化层P的被钉扎层Pd(CoFe磁层)的磁化与要成为SAF元件的膜中固定磁化层P′的第二铁磁层P2的磁化被固定在彼此相同的方向上，同时固定磁化层P′的第一铁磁层P1的磁化方向反平行于第二铁磁层P2的磁化方向。
于是，该技术可提供排列在非常小的区域中的具有彼此反平行的磁场探测方向的至少两个巨磁致电阻元件。
实际上，磁场热处理之后，具有膜的衬底10a-1经历必要的处理，包括偏置磁体膜的极化，其后，其被沿着图12所示的CL线切割。结果，同时制造出多个图1所示的磁传感器10和多个图15所示的磁传感器40。
为了方便起见，这样制造的磁传感器40被称为“S型磁传感器40”。S型磁传感器40包括巨磁致电阻元件41到44和51到54。元件41、42、51、以及52是传统GMR元件；元件43、44、53、以及54是SAF元件。这些元件中的自由层的初始磁化和被钉扎层(邻接间隔层的铁磁层)的方向反平行于磁场探测方向的固定磁化如图15所示地取向。
元件41、42、43、以及44分别被称为第一、第二、第三、以及第四X轴磁探测元件。这些X轴磁探测元件以全桥构造连接以形成X轴磁传感器，如磁传感器10的元件11、12、13、以及14中一样。类似地，元件51、52、53、以及54分别被称为第一、第二、第三、以及第四Y轴磁探测元件。这些Y轴磁探测元件以全桥构造连接以形成Y轴磁传感器，象磁传感器10的元件21、22、23、以及24中一样。
用于形成膜M的第一方法
现在要说明用于形成膜M(要作为传统GMR元件和SAF元件)的第一方法(膜形成步骤或形成膜步骤)。
步骤1：如图16A所示地准备衬底10a。衬底10a具有包括用于桥构造的导线10a1和覆盖导线10a1的绝缘层10a2的绝缘/布线层。绝缘层10a2具有用于电连接的通孔VIA。导线10a1部分暴露在通孔VIA的底部处。
步骤2：参见16B，要成为偏置磁体膜的CoCrPt层10b通过溅镀形成在衬底10a的上表面上。
步骤3：参见16C，抗蚀剂层R1形成在CoCrPt层10b的上表面上。构图抗蚀剂层R1从而仅覆盖用于偏置磁体膜的必要区域。换言之，抗蚀剂层R1形成为抗蚀剂掩模。
步骤4：参见图17A，CoCrPt层10b的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤5：参见图17B，除去抗蚀剂层R1。
步骤6：参见图17C，如图4A所示的要成为传统GMR元件的复合层10c形成在衬底10a的上表面上。
步骤7：参见图18A，抗蚀剂层R2形成在复合层10c的上表面上，随后被构图从而仅覆盖复合层10c的必要区域。换言之，抗蚀剂层R2形成为抗蚀剂掩模。
步骤8：参见图18B，复合层10c的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤9：参见图18C，抗蚀剂层R2被除去。
步骤10：参见图19A，通过化学气相沉积(CVD)形成SiN绝缘间层INS1。供选地，绝缘间层INS1可以由SiO2形成。
步骤11：参见图19B，抗蚀剂层R3形成在绝缘间层INS1的上表面上，随后被构图从而仅覆盖要具有传统GMR元件的区域。换言之，抗蚀剂层R3形成为抗蚀剂掩模。
步骤12：参见图19C，绝缘间层INS1的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤13：参见图20A，抗蚀剂层R3被除去。
步骤14：参见图20B，要成为SAF元件的如图5A所示的复合层10d形成在衬底10a的上表面上。
步骤15：参见图20C，抗蚀剂层R4形成在复合层10d的上表面上，随后被构图从而仅覆盖复合层10d的必要区域。换言之，抗蚀剂层R4形成为抗蚀剂掩模。
步骤16：参见图21A，复合层10d的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤17：参见图21B，抗蚀剂层R4被除去。
采用上面的步骤，要作为传统GMR元件的膜提供在图21B的左边，要作为SAF元件的膜提供在右边。接着这些步骤，实施上述磁场热处理。
注意，尽管上面的方法中要作为传统巨磁致电阻元件的膜形成在要作为SAF元件的膜形成之前，但是要作为SAF元件的膜可以形成在要作为传统巨磁致电阻元件的膜形成之前。
如上所述，该第一方法包括膜形成步骤，该膜形成步骤包括子步骤：
在单衬底上形成(沉积)要作为第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)和第二巨磁致电阻元件(SAF元件)之一的第一复合层(或者膜)(步骤6)；
除去该第一复合层的不必要区域(步骤7到9)；
该第一复合层的不必要区域被除去之后，用绝缘层覆盖(涂敷)该第一复合层(步骤10到13)；
在该衬底和该绝缘层上形成(沉积)要作为另一个巨磁致电阻元件的第二复合层(或膜)(步骤14)；以及
除去该第二复合层的不必要区域(步骤15到17)。
通过上述方法，要作为传统GMR元件和SAF元件的膜不间断地(以连续方式)形成在单衬底上。
用于形成膜M的第二方法
现在将描述用于形成膜M的第二方法。该第二方法提供其中固定磁化层P和P′形成在衬底上且间隔层S和自由层F形成在固定磁化层P和P′上的膜。此类型的膜可以被称为底自旋阀膜。
步骤1：如图22A所示地准备衬底10a。该衬底与图16A所示的衬底10a具有相同的结构。
步骤2：参见图22B，要成为偏置磁体膜的CoCrPt层10b通过溅镀形成在衬底10a的上表面上。
步骤3：参见图22C，抗蚀剂层R1形成在CoCrPt层10b的上表面上。构图该抗蚀剂层R1从而仅覆盖用于偏置磁体膜的必要区域。换言之，抗蚀剂层R1形成为抗蚀剂掩模。
步骤4：参见图23A，CoCrPt层10b的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤5：参见图23B，抗蚀剂层R1被除去。此方法的直到步骤5的步骤与第一方法的直到步骤5的步骤相同。
步骤6：参见图24A，以此顺序形成(沉积或层叠)PtMn层、CoFe层、以及Ru层，从而形成要作为SAF元件的复合层的一部分(下文可称为“第一SAF复合层”)。图24B是第一SAF复合层的放大视图。
步骤7：参见图25A，抗蚀剂层R5形成在第一SAF复合层的上表面上，随后被构图从而覆盖用于第一SAF复合层的必要区域及其附近区域。换言之，抗蚀剂层R5形成为抗蚀剂掩模。图25B是抗蚀剂层R5的端部及其附近区域的放大视图。
步骤8：参见图26A，通过离子研磨除去第一SAF复合层所需的区域中的Ru层和部分CoFe层。图26B是该离子研磨之后该第一SAF复合层的放大视图。
步骤9：参见图26C，抗蚀剂层R5被除去。
步骤10：参见图27A，CoFe层，要作为间隔层的Cu层，要作为自由层的CoFe层、NiFe以及CoZrNb层，以此顺序形成(沉积或层叠)在通过步骤1到9已经形成的层的上表面之上。图27B是所得复合层的放大视图。然后，对所得复合层进行磁场热处理。
步骤11：参见图28A，抗蚀剂层R6形成在该复合层的上表面上，随后被构图从而仅覆盖要具有传统GMR元件和SAF元件的区域。换言之，抗蚀剂层R6形成为抗蚀剂掩模。
步骤12：参见图28B，该复合层的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤13：参见图28C，抗蚀剂层R6被除去。
采用上述步骤，要作为SAF元件的膜提供在图28C的左侧，要作为传统GMR元件的膜提供在右侧。
如上所述，该第二方法包括膜形成步骤，该膜形成步骤包括子步骤：
要作为第二巨磁致电阻元件(SAF元件)的钉扎层、第二铁磁层、以及交换耦合层的诸层以此顺序形成(沉积)在衬底上，从而形成预复合层(第一SAF复合层)(步骤6)；
从要具有第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)的区域完全除去该第一预复合层的要作为交换耦合层的层，而没有从要具有第二巨磁致电阻元件的区域除去该第一预复合层(步骤7到9)；以及
从要具有第一巨磁致电阻元件的区域除去该第一预复合层的要作为交换耦合层的层之后，在整个上表面上以此顺序进一步形成(沉积)与第二铁磁层具有相同成分的要作为铁磁层的层、以及要作为第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件的间隔层和自由层的层(步骤10)。
通过上述方法，要作为传统GMR元件和SAF元件的膜不间断地(以续方式)形成在单衬底上。
用于形成膜M的第三方法
现在要参考图29描述用于形成膜M的第三方法。该第三方法提供与第一方法中具有相同结构的膜，其中自由层F形成在衬底上，间隔层S以及固定磁化层P和P′形成在自由层F上。此类型的膜称为顶自旋阀膜。
步骤1：如图29的步骤1所示，要作为自由层F的复合层(CoZrNb层、NiFe层、以及CoFe层)、要作为间隔层S的层、CoFe层、以及Ru层以此顺序形成(沉积)在具有通过实施第一方法的步骤1到步骤5得到的要作为偏置磁体膜的层10b的衬底10a上。
步骤2：参见图29的步骤2，抗蚀剂层形成在要具有SAF元件的区域。然后，通过离子研磨从不必要区域除去Ru层和Ru层下面的CoFe层的上部分。
步骤3：该抗蚀剂层被除去。
步骤4：参见图29的步骤4，CoFe层、PtMn层、以及Ta层以此顺序形成(沉积)，从而在留有Ru层的部分提供要作为SAF元件的固定磁化层P′的层，且在没有Ru层的区域上提供要作为传统GMR元件的固定磁化层P的层。
步骤5：然后，进行磁场热处理以固定该固定磁化层P和P′中被钉扎层的磁化方向。
步骤6：最后，实施与图28A到28C所示的步骤中相同的构图从而形成传统GMR元件和SAF元件。
如上所述，该第三方法包括膜形成步骤，该膜形成步骤包括子步骤：
以所列顺序在衬底上形成(沉积)要作为第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)和第二巨磁致电阻元件(SAF元件)的自由层的层、要作为该第一和第二巨磁致电阻元件的间隔层的层、要作为该第二巨磁致电阻元件的第一铁磁层的CoFe层、以及要作为该第二巨磁致电阻元件的交换耦合层的层，从而形成第二预复合层(步骤1)；
从要具有该第一巨磁致电阻元件的区域完全除去该第二预复合层的要作为交换耦合层的层，而没有从要具有第二巨磁致电阻元件的区域中除去该第二预复合层(步骤2和3)；以及
从要具有第一巨磁致电阻元件的区域去除该第二预复合层的要作为交换耦合层的层之后，在整个上表面上以所列顺序形成与要作为该第一铁磁层的层具有相同成分的铁磁层(CoFe层)和要作为该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件的钉扎层的层(步骤4)。
通过上述方法，要作为传统GMR元件和SAF元件的膜不间断地(以连续方式)形成在单衬底上。
如上所述，磁传感器10包括在单衬底上的传统GMR元件和SAF元件。通过彼此接近地形成要作为这些元件的膜且对该膜施加取向在单方向上的磁场，其磁场探测方向彼此反平行的元件可设置在非常小的区域中。因此，磁传感器10可以非常小。
用树脂膜等涂敷形成在磁传感器10的衬底10a上的巨磁致电阻元件11到14和21到24。因此，如果衬底10a或树脂膜通过热或外应力而变形，则巨磁致电阻元件11到14和21到24因而也通过热或应力而变形，且它们的电阻改变。从而，磁传感器的桥电路，其中巨磁致电阻元件如在磁传感器10中一样以桥构造连接，失去其平衡且输出通过应力而改变。因此，这样的磁传感器不能准确地探测外磁场的强度。
然而，在磁传感器10中，形成全桥电路的巨磁致电阻元件11到14(或者巨磁致电阻元件21到24)设置在衬底10a上非常小的区域中，因此，应力(例如张应力或压应力)几乎均匀地置于这些元件上。巨磁致电阻元件的电阻因而均匀地增加或减小。因此，可减小桥电路失去平衡的可能性。因此，磁传感器10可准确地探测磁场。
第二实施例
现在要描述根据本发明第二实施例的磁传感器。如图30所示，磁传感器50包括单衬底50a、传统GMR元件51G到54G、SAF元件61S到64S、传统GMR元件71G到74G、以及SAF元件81S到84S。
衬底50a是与衬底10a具有相同的形状的薄硅片。
传统GMR元件51G到54G以及71G到74G每个与前述传统GMR元件11具有相同的结构。SAF元件61S到64S以及81S到84S每个与前述SAF元件13具有相同的结构。构造每个元件的自旋阀膜(例如自旋阀膜的层的厚度)，使得如果具有同样强度的磁场沿元件的各自磁场探测方向施加到各元件时，元件具有相同的电阻，并且使得如果具有相同大小(和相同方向)的应力分别置于各元件上时，各元件的电阻变化相同的量(相同的程度)。
本实施例中，传统GMR元件51G和52G可被称为第一巨磁致电阻元件；SAF元件61S和62S可被称为第二巨磁致电阻元件；传统GMR元件53G和54G可被称为第五巨磁致电阻元件；SAF元件63S和64S可被称为第六巨磁致电阻元件。
图30和下面的表1到4示出元件在衬底50a上的位置、传统GMR元件51G到54G和71G到74G的固定磁化层P中被钉扎层Pd的固定磁化方向、SAF元件61S到64S和81S到84S的固定磁化层P′中第一铁磁层P1(即被钉扎层)的固定磁化方向、以及每个元件的磁场探测方向。
表1
元件 在衬底50a上的位置   被钉扎层Pd的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
  传统GMR 51G  Y轴方向：上中X轴方向：负端附近   负X轴  负Y轴   正X轴
  传统GMR 52G  Y轴方向：下中X轴方向：负端附近   负X轴  负Y轴   正X轴
  传统GMR 53G  Y轴方向：上中X轴方向：正端附近   正X轴  正Y轴   负X轴
  传统GMR 54G  Y轴方向：下中X轴方向：正端附近   正X轴  正Y轴   负X轴
表2
元件 在衬底50a上的位置   被钉扎层P1的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
SAF 61S  Y轴方向：上中X轴方向：负端附近 正X轴 负Y轴 负X轴
SAF 62S  Y轴方向：下中X轴方向：负端附近 正X轴 负Y轴 负X轴
SAF 63S  Y轴方向：上中X轴方向：正端附近 负X轴 正Y轴 正X轴
SAF 64S  Y轴方向：下中X轴方向：正端附近 负X轴 正Y轴 正X轴
SAF元件61S和62S分别设置在传统GMR元件51G和52G的沿X轴方向的正侧，其间有短的距离；SAF元件63S和64S分别设置在传统GMR元件53G和54G的沿X轴方向的负侧，其间有短的距离。
表3
元件 在衬底50a上的位置   被钉扎层Pd的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
  传统GMR 71G  X轴方向：左中Y轴方向：正端附近   正Y轴  正X轴   负Y轴
  传统GMR 72G  X轴方向：右中Y轴方向：正端附近   正Y轴  正X轴   负Y轴
  传统GMR 73G  X轴方向：左中Y轴方向：负端附近   负Y轴  负X轴   正Y轴
  传统GMR 74G  X轴方向：右中Y轴方向：负端附近   负Y轴  负X轴   正Y轴
表4
元件 在衬底50a上的位置   被钉扎层P1的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
SAF 81S  X轴方向：左中Y轴方向：正端附近 负Y轴 正X轴 正Y轴
SAF 82S  X轴方向：右中Y轴方向：正端附近 负Y轴 正X轴 正Y轴
SAF 83S  X轴方向：左中Y轴方向：负端附近 正Y轴 负X轴 负Y轴
SAF 84S  X轴方向：右中Y轴方向：负端附近 正Y轴 负X轴 负Y轴
SAF元件81S和82S分别设置在传统GMR元件71G和72G的沿Y轴方向的负侧，其间有短的距离；SAF元件83S和84S分别设置在传统GMR元件73G和74G的沿Y轴方向的正侧，其间有短的距离。
传统GMR元件51G和52G(第一巨磁致电阻元件)以及SAF元件61S和62S(第二巨磁致电阻元件)彼此接近地设置在具有小面积的第一区域中(在衬底50a的沿X轴方向的负侧)；因此，这些元件位于相同的应力施加到这些元件的位置处，因此它们可彼此类似地变形。
传统GMR元件53G和54G(第五巨磁致电阻元件)以及SAF元件63S和64S(第六巨磁致电阻元件)彼此接近地设置在具有小面积的第二区域中(在衬底50a的沿X轴方向的正侧)；因此，这些元件位于相同的应力施加到这些元件的位置处，因此它们可彼此类似地变形。
传统GMR元件71G和72G以及SAF元件81S和82S彼此接近地设置在具有小面积的第三区域中(在衬底50a的沿Y轴方向的正侧)；因此，这些元件位于相同的应力施加到这些元件的位置处，因此它们可彼此类似地变形。
传统GMR元件73G和74G以及SAF元件83S和84S彼此接近地设置在具有小面积的第四区域中(在衬底50a的沿Y轴方向的负侧)；因此，这些元件位于相同的应力施加到这些元件的位置处，因此它们可彼此类似地变形。
磁传感器50具有X轴磁传感器50X，其包括第一X轴磁传感器50X1、第二X轴磁传感器50X2、以及差分电路50Xdif，如图31所示。
第一X轴磁传感器50X1包括用导电线(图30中未示出)以全桥构造连接的四个传统GMR元件51G到54G，如图32A中的等效电路所示。
将进一步描述第一X轴磁传感器50X1。传统GMR元件51G的一端连接到传统GMR元件53G的一端以形成第五子电路。第一电势+V(从图中未示出的恒定电压源提供的恒定电压)施加到传统GMR元件51G的另一端。传统GMR元件53G的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到传统GMR元件53G的该另一端。
另外，传统GMR元件54G的一端连接到传统GMR元件52G的一端以形成第六子电路。第一电势+V施加到传统GMR元件54G的另一端。传统GMR元件52G的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到传统GMR元件52G的该另一端。
传统GMR元件51G连接到传统GMR元件53G的连接点Q10处的电势VQ10与传统GMR元件54G连接到传统GMR元件52G的连接点Q20处的电势VQ20之间的电势差VoxConv(＝VQ10-VQ20)作为该第一X轴磁传感器的输出(传统GMR元件输出，X轴传统GMR元件输出)被取出。
图32A中与传统GMR元件51G到54G相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该传统GMR元件未受应力时、当张应力施加到该传统GMR元件时、以及当压应力施加到该传统GMR元件时电阻R响应于外磁场Hx的变化。
当传统GMR元件51G到54G未受应力时，第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度的增加而减小，如图32B中的实线所示。
第二X轴磁传感器50X2包括用导电线(图30中未示出)以全桥构造连接的四个SAF元件61S到64S，如图33A中的等效电路所示。
将进一步描述第二X轴磁传感器50X2。SAF元件61S的一端连接到SAF元件63S的一端以形成第七子电路。第一电势+V施加到SAF元件61S的另一端。SAF元件63S的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到SAF元件63S的该另一端。
另外，SAF元件64S的一端连接到SAF元件62S的一端以形成第八子电路。第一电势+V施加到SAF元件64S的另一端。SAF元件62S的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到SAF元件62S的该另一端。
SAF元件61S连接到SAF元件63S的连接点Q30处的电势VQ30与SAF元件64S连接到SAF元件62S的连接点Q40处的电势VQ40之间的电势差VoxSAF(＝VQ30-VQ40)作为该第二X轴磁传感器50X2的输出(SAF元件输出，X轴SAF元件输出)被取出。
图33A中与SAF元件61S到64S相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该SAF元件未受应力时、当张应力施加到该SAF元件时、以及当压应力施加到该SAF元件时电阻R响应于外磁场Hx的变化。
因此，当SAF元件61S到64S未受应力时，第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度增加而增加，如图33B中实线所示。
差分电路50Xdif从第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF减去第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv，且所得的差被输出，其被定义为X轴磁传感器50X的输出Vox，如图31所示。磁传感器50的该输出(X轴输出)Vox基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度增加而增加，如图34所示。
磁传感器50还具有Y轴磁传感器50Y，如图35所示。Y轴磁传感器50Y包括第一Y轴磁传感器50Y1、第二Y轴磁传感器50Y2、以及差分电路50Ydif。
第一Y轴磁传感器50Y1包括用导电线(图30中未示出)以全桥构造连接的四个传统GMR元件71G到74G，如图36A中等效电路所示。
将进一步描述第一Y轴磁传感器50Y1。传统GMR元件71G的一端连接到传统GMR元件73G的一端以形成第九子电路。第一电势+V施加到传统GMR元件71G的另一端。传统GMR元件73G的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到传统GMR元件73G的该另一端。
另外，传统GMR元件74G的一端连接到传统GMR元件72G的一端以形成第十子电路。第一电势+V施加到传统GMR元件74G的另一端。传统GMR元件72G的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到传统GMR元件72G的该另一端。
传统GMR元件71G连接到传统GMR元件73G的连接点Q50处的电势VQ50与传统GMR元件74G连接到传统GMR元件72G的连接点Q60处的电势VQ60之间的电势差VoyConv(＝VQ50-VQ60)作为该第一Y轴磁传感器的输出(传统GMR元件输出，Y轴传统GMR元件输出)被取出。
图36A中与传统GMR元件71G到74G相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该传统GMR元件未受应力时、当张应力施加到该传统GMR元件时、以及当压应力施加到该传统GMR元件时电阻R响应于外磁场Hy的变化。
当传统GMR元件71G到74G未受应力时，第一Y轴磁传感器50Y1的输出VoyConv基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度的增加而增加，如图36B中的实线所示。
第二Y轴磁传感器50Y2包括用导电线(图30中未示出)以全桥构造连接的四个SAF元件81S到84S，如图37A中的等效电路所示。
将进一步描述第二Y轴磁传感器50Y2。SAF元件81S的一端连接到SAF元件83S的一端以形成第十一子电路。第一电势+V施加到SAF元件81S的另一端。SAF元件83S的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到SAF元件83S的该端。
另外，SAF元件84S的一端连接到SAF元件82S的一端以形成第十二子电路。第一电势+V施加到SAF元件84S的另一端。SAF元件82S的另一端接地(连接到GND)。换言之，与第一电势不同的第二电势施加到SAF元件82S的该另一端。
SAF元件81S连接到SAF元件83S的连接点Q70处的电势VQ70与SAF元件84S连接到SAF元件82S的连接点Q80处的电势VQ80之间的电势差VoySAF(＝VQ70-VQ80)作为该第二Y轴磁传感器50Y2的输出(SAF元件输出，Y轴SAF元件输出)被取出。
图37A中与SAF元件81S到84S相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该SAF元件未受应力时、当张应力施加到该SAF元件时、以及当压应力施加到该SAF元件时电阻R响应于外磁场Hy的变化。
当SAF元件81S到84S未受应力时，第二Y轴磁传感器50Y2的输出VoySAF基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度增加而减小，如图37B中实线所示。
差分电路50Ydif从第一Y轴磁传感器50Y1的输出VoyConv减去第二Y轴磁传感器50Y2的输出VoySAF，且输出所得到的差，其被定义为Y轴磁传感器50Y的输出Voy，如图35所示。因此，磁传感器50的输出(Y轴输出)Voy基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度增加而增加，如图38所示。
现在将根据具体情况描述具有上述结构的磁传感器50是如何工作的。因为X轴磁传感器50X和Y轴磁传感器50Y以相同方式运行，除了它们的磁场探测方向彼此有90°不同，所以下面的说明示出X轴磁传感器50X的工作。
(1)当没有应力施加在传统GMR元件51G到54G和SAF元件61S到64S时：
X轴磁传感器50X输出随着外磁场Hx增加而增加的电压Vox。
(2)当张应力置于在第一区域中元件上(传统GMR元件51G和52G，SAF元件61S和62S)，同时压应力置于第二区域中元件上(传统GMR元件53G和54G，SAF元件63S和64S)时：
不管外磁场Hx的强度，传统GMR元件51G和52G的电阻增加一基本恒定的值(如图32A中元件51G和52G的曲线图中虚线所示)。不管外磁场Hx的强度，传统GMR元件53G和54G的电阻下降一基本恒定的值(如图32A中元件53G和54G的曲线图中双点画线所示)。从而，不管外磁场Hx的强度，第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv下降一恒定值，如图32B中的点画线所示。
另一方面，不管外磁场Hx的强度，SAF元件61S和62S的电阻增加一恒定值(如图33A中元件61S和62S的曲线图中虚线所示)。不管外磁场Hx的强度，SAF元件63S和64S下降一恒定值(如图33A中元件63S和64S的曲线图中双点画线所示)。从而，不管外磁场Hx的强度，第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF下降一恒定值，如图33B中的点画线所示。在此示例中，第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv和第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF两者都下降一恒定值。因此，这两个输出之间的差(X轴磁传感器50X的输出Vox)不变。
(3)当压应力置于第一区域中元件上(传统GMR元件51G和52G，SAF元件61S和62S)，同时张应力置于第二区域中元件上(传统GMR元件53G和54G，SAF元件63S和64S)时：
不管外磁场Hx的强度，传统GMR元件51G和52G的电阻下降一基本恒定的值(如图32A中元件51G和52G的曲线图中双点画线所示)。不管外磁场Hx的强度，传统GMR元件53G和54G的电阻增加一基本恒定的值(如图32A中元件53G和54G的曲线图中虚线所示)。从而，不管外磁场Hx的强度，第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv增加一恒定值，如图32B中的虚线所示。
另一方面，不管外磁场Hx的强度，SAF元件61S和62S的电阻下降一恒定值(如图33A中元件61S和62S的曲线图中双点画线所示)。不管外磁场Hx的强度，SAF元件63S和64S增加一恒定值(如图33A中元件63S和64S的曲线图中虚线所示)。从而，不管外磁场Hx的强度，第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF增加一恒定值，如图33B中的虚线所示。在此示例中，第一X轴磁传感器50X1的输出VoxConv和第二X轴磁传感器50X2的输出VoxSAF两者都增加一恒定值。从而，这两个输出之间的差(X轴磁传感器50X的输出Vox)不变。
(4)当压应力置于第一和第二区域中全部元件上时：
每个元件的电阻减小一恒定值，因此，第一X轴磁传感器的输出VoxConv和第二X轴磁传感器的输出VoxSAF不变。  从而，X轴磁传感器50X的输出Vox不变。
(5)当张应力置于第一和第二区域中全部元件上时：
每个元件的电阻增加一恒定值，因此，第一X轴磁传感器的输出VoxConv和第二X轴磁传感器的输出VoxSAF不变。从而，X轴磁传感器50X的输出Vox不变。
如上所述，除非外磁场变化，第二实施例的磁传感器50可产生基本恒定的输出，  即使置于元件上的应力发生变化。因此，磁传感器50可准确地探测磁场。
第三实施例
根据本发明第三实施例的磁传感器不同于图1所示的第一实施例的磁传感器10仅在于包括一传统GMR元件(例如传统GMR元件11)和一SAF元件(例如SAF元件13)的其中该传统GMR元件和该SAF元件彼此接近地设置的组被图39或40所示的组代替。下面的说明将示出该不同。
具体地，在第三实施例的磁传感器中，第一实施例的磁传感器10中传统GMR元件11和SAF元件13组成的第一元件组被图39所示的元件组91所代替。元件组91设置在与图1所示的衬底10a上的设置第一元件组的位置对应的位置。
元件组91包括四个传统GMR元件91g1到91g4以及四个SAF元件91s1到91s4。平面图中传统GMR元件91g1到91g4以及SAF元件91s1到91s4每个具有相同的窄条形。每个元件的纵向方向沿着Y轴方向。这些元件从衬底10a的X轴方向的正缘沿负X轴方向按此顺序排列：传统GMR元件91g1；SAF元件91S1；传统GMR元件91g2；SAF元件91s2；传统GMR元件91g3；SAF元件91s3；传统GMR元件91g4；以及SAF元件91s4。因此，元件组91包括衬底10a上这样的排列，其中传统GMR元件(第一巨磁致电阻元件)和SAF元件(第二巨磁致电阻元件)彼此平行地交替沿预定方向(负X轴方向)设置。
传统GMR元件91g1到91g4的每个的膜结构是与图4所示的传统自旋阀膜相同的结构。传统GMR元件91g1到91g4的每个的固定磁化层P的被钉扎层Pd的磁化被固定在正X轴方向。传统GMR元件91g1到91g4的每个中自由层F的初始磁化取向在正Y轴方向。
传统GMR元件91g1沿Y轴方向的负端连接到端子91a。传统GMR元件91g1的Y轴方向正端连接到传统GMR元件91g2的Y轴方向正端。传统GMR元件91g2的Y轴方向负端连接到传统GMR元件91g3的Y轴方向负端。传统GMR元件91g3的Y轴方向正端连接到传统GMR元件91g4的Y轴方向正端。传统GMR元件91g4的Y轴方向负端连接到另一端子91b。
因此，传统GMR元件91g1到91g4的电阻的总和从端子91a和91b取出，代替磁传感器10中传统GMR元件11的电阻。传统GMR元件91g1到91g4的电阻的总和与传统GMR元件11的电阻以相同的方式变化。换言之，传统GMR元件91g1到91g4组成传统GMR元件的修改形式。即，多个传统GMR元件91g1到91g4串联连接以形成一个巨磁致电阻元件(第一元件)。
四个SAF元件91s1到91s4中每个的膜结构是与图5所示的合成自旋阀膜相同的结构。SAF元件91s1到91s4的每个中固定磁化层P′的被钉扎层(第一磁层P1)的磁化被固定在负X轴方向。SAF元件91s1到91s4的每个中自由层F的初始磁化取向在正Y轴方向。
SAF元件91s1的Y轴方向负端连接到端子91c。SAF元件91s1的Y轴方向正端连接到SAF元件91s2的Y轴方向正端。SAF元件91s2的Y轴方向负端连接到SAF元件91s3的Y轴方向负端。SAF元件91s3的Y轴方向正端连接到SAF元件91s4的Y轴方向正端。SAF元件91s4的Y轴方向负端连接到另一端子91d。
因此，SAF元件91s1到91s4的电阻的总和从端子91c和91d取出，代替磁传感器10中SAF元件13的电阻。SAF元件91s1到91s4的电阻的总和与SAF元件13的电阻以相同的方式变化。换言之，SAF元件91s1到91s4组成修改的SAF元件13。即，多个SAF元件91s1到91s4串联连接以形成另一巨磁致电阻元件(第二元件)。
传统GMR元件91g1到91g4和SAF元件91s1到91s4中每个的两端都提供有偏置磁体膜(图39中未示出)，用于向对应的自由层F施加与自由层F的初始磁化方向取向在相同的方向上的磁场。
第三实施例的磁传感器中，另外，第一实施例的磁传感器10中由传统GMR元件12和SAF元件14组成的第二元件组被与图39所示的元件组91具有相同结构的元件组所代替。该元件组设置在与图1所示的在衬底10a上设置第二元件组的位置对应的位置中。如上所述，在第三实施例的磁传感器中，修改的传统GMR元件12和修改的SAF元件14设置在与设置磁传感器10的第二元件组的位置对应的位置中。
此外，第三实施例的磁传感器中，由第一实施例的磁传感器10中传统GMR元件21和SAF元件23组成的第三元件组被图40所示的元件组92所代替。元件组92设置在与图1所示的在衬底10a上设置第三元件组的位置对应的位置中。
如图40所示，元件组92与图39所示的元件组91具有相同的结构。更具体地，元件组92包括传统GMR元件92g1到92g4以及SAF元件92s1到92s4。当从上观察时这些元件每个具有窄条形状。元件组92中的元件沿X轴方向延伸且如图40所示地连接。自由层F的初始磁化和固定磁化层P和P′的被钉扎层的固定磁化取向在图40所示的方向。因此，第三实施例的磁传感器具有元件组92，其在与磁传感器10中设置第三元件组的位置对应的位置中。换言之，元件组92包括修改的传统GMR元件21和修改的SAF元件23。
此外，第三实施例的磁传感器中，第一实施例的磁传感器10中由传统GMR元件22和SAF元件24组成的第四元件组被与图40所示的元件组92具有相同结构的元件组所代替。该元件组设置在与图1所示的在衬底10a上设置第四元件组的位置对应的位置中。如上所述，第三实施例的磁传感器中，修改的传统GMR元件22和修改的SAF元件24设置在与设置磁传感器10的第四元件组的位置对应的位置中。
另外，第三实施例的磁传感器中，修改的传统GMR元件11、12、21、以及22和修改的SAF元件13、14、23、以及24如磁传感器10中一样以全桥构造连接，从而形成X轴磁传感器和Y轴磁传感器。
如上所述的在单衬底上包括多个巨磁致电阻元件的传感器中，应力通过衬底或覆盖巨磁致电阻元件的树脂的形变而置于巨磁致电阻元件上。可推断，应力沿着衬底的表面逐渐变化。
从而非常合理的是，在具有如第三实施例中的结构的磁传感器中，其中串联连接以形成第一元件组的传统GMR元件和串联连接以形成第二元件组的SAF元件沿预定方向(本实施例中，X轴方向或Y轴方向)彼此平行地交替排列在衬底10a上，具有相同大小的应力施加到第一元件和第二元件两者上。因此，应力引起的第一和第二元件的电阻的变化是接近的。
因此，通过以桥构造连接这些元件形成的X轴和Y轴磁传感器可产生受置于这些元件上的应力影响更小的输出。因此，第三实施例的磁传感器可产生比来自第一实施例的磁传感器10的输出受置于该元件上的应力影响更小的输出，从而更准确地探测磁场。
第三实施例地磁传感器(元件组91和92)中，元件的排列顺序可变。例如，元件可以从衬底10a的X轴方向的正缘在负X轴方向以此顺序排列：SAF元件91s1、传统GMR元件91g1、SAF元件91s2、传统GMR元件91g2、SAF元件91s3、传统GMR元件91g3、SAF元件91s4、传统GMR元件91g4，或者从衬底10a的Y轴方向的正缘在负Y轴方向以此顺序排列：SAF元件91s1、传统GMR元件91g1、SAF元件91s2、传统GMR元件91g2、SAF元件91s3、传统GMR元件91g3、SAF元件91s4、传统GMR元件91g4。
此外，图39和40所示的元件组可应用于图30所示的磁传感器50。
第四实施例
图41示出根据本发明第四实施例的磁传感器95的平面图。磁传感器95包括与衬底10a相似的单衬底95a、X轴磁探测元件组96、以及Y轴磁探测元件组97。X轴磁探测元件组96设置在衬底95a的X轴方向上正缘附近且在衬底95a的Y轴方向上的中间位置。Y轴磁探测元件组97设置在衬底95a的Y轴方向上正缘附近且在衬底95a的X轴方向上的中间位置。
X轴磁探测元件组96包括四个传统GMR元件96g1到96g4以及四个SAF元件96s1到96s4，如图42所示。当从上面观察时，传统GMR元件96g1到96g4以及SAF元件96s1到96s4每个具有相同的窄条形状，且在Y轴方向延伸。这些元件从衬底95a的X轴方向正缘沿负X轴方向以此顺序排列：传统GMR元件96g1、传统GMR元件96g2、SAF元件96s1、SAF元件96s2、传统GMR元件96g3、传统GMR元件9694、SAF元件96s3、以及SAF元件96s4。
传统GMR元件96g1到96g4每个由图4所示的传统自旋阀膜形成。传统GMR元件96g1到96g4的每个中固定磁化层P的被钉扎层Pd的磁化被固定在正X轴方向。传统GMR元件96g1到96g4的每个中自由层F的初始磁化取向在正Y轴方向。
传统GMR元件96g1的Y轴方向负端连接到端子96a1。传统GMR元件96g1的Y轴方向正端连接到传统GMR元件9693的Y轴方向正端。传统GMR元件96g3的Y轴方向负端连接到端子96a2。
因此，传统GMR元件96g1和9693的电阻的总和从端子96a1和96a2被取出。该取出的电阻与磁传感器10中传统GMR元件11的电阻以相同的方式变化。换言之，传统GMR元件96g1和9693组成传统GMR元件11的修改形式。
另外，传统GMR元件96g2的Y轴方向负端连接到端子96b1。传统GMR元件96g2的Y轴方向正端连接到传统GMR元件96g4的Y轴方向正端。传统GMR元件9694的Y轴方向负端连接到端子9662。
因此，传统GMR元件96g2和9694的电阻的总和从端子96b1和96b2被取出。该取出的电阻与磁传感器10中传统GMR元件12的电阻以相同的方式变化。换言之，传统GMR元件96g2和96g4组成传统GMR元件12的修改形式。
SAF元件96s1到96s4每个由图5所示的合成自旋阀膜形成。SAF元件96s1到96s4的每个中固定磁化层P′的被钉扎层(第一磁层P1)的磁化固定在负X轴方向。SAF元件96s1到96s4的每个中的每个自由层F的初始磁化取向在正Y轴方向。
SAF元件96s1的Y轴方向负端连接到端子96c1。SAF元件96s1的Y轴方向正端连接到SAF元件96s3的Y轴方向正端。SAF元件96s3的Y轴方向负端连接到端子96c2。
因此，SAF元件96s1和96s3的电阻的总和从端子96c1和96c2被取出。该取出的电阻与磁传感器10中SAF元件13的电阻以相同的方式变化。换言之，SAF元件96s1和96s3组成SAF元件13的修改形式。
另外，SAF元件96s2的Y轴方向负端连接到端子96d1。SAF元件96s2的Y轴方向正端连接到SAF元件96s4的Y轴方向正端。SAF元件96s4的Y轴方向负端连接到端子96d2。
因此，SAF元件96s2和96s4的电阻的总和从端子96d1和96d2被取出。该取出的电阻与磁传感器10中SAF元件14的电阻以相同的方式变化。换言之，SAF元件96s2和96s4组成SAF元件14的修改形式。
注意，传统GMR元件96g1到9694以及SAF元件96s1到96s4的每个的两端都设置有偏置磁体膜(图42中未示出)，用于向相应的自由层F施加取向在与该自由层F的初始磁化相同的方向上的偏置磁场。
传统GMR元件11和12以及SAF元件13和14的修改形式与磁传感器10中传统GMR元件11和12以及SAF元件13和14按相同的方式以全桥构造连接，从而形成X轴磁传感器。
如图43所示，Y轴磁探测元件组97与图42所示的X轴磁探测元件组96具有相同的结构。具体地，Y轴磁探测元件组97包括传统GMR元件97g1到97g4以及SAF元件97s1到97s4。当从上观察时，这些元件的每个具有窄条形状。该元件在X轴方向延伸且如图43所示地连接。自由层F的初始磁化和固定磁化层P和P′的被钉扎层的固定磁化取向在图43所示的方向上。
因此，传统GMR元件97g1和97g3组成传统GMR元件21的修改形式。传统GMR元件97g2和97g4组成传统GMR元件22的修改形式。另外，SAF元件97s1和97s3组成SAF元件23的修改形式，且SAF元件97s2和97s4组成SAF元件24的修改形式。
传统GMR元件21和22以及SAF元件23和24的修改形式与磁传感器10中传统GMR元件21和22以及SAF元件23和24按相同的方式以全桥构造连接，从而形成Y轴磁传感器。
注意力集中在例如第四实施例的磁传感器95中的X轴磁传感器上，该X轴磁传感器包括四个传统GMR元件和四个SAF元件。彼此相邻的两个传统GMR元件形成第一组(传统GMR元件96g1和96g2)；另外两个彼此相邻的传统GMR元件形成第二组(传统GMR元件96g3和96g4)；彼此相邻的两个SAF元件形成第三组(SAF元件96s1和96s2)；另外两个彼此相邻的SAF元件形成第四组(SAF元件96s3和96s4)。这四组彼此平行地沿预定方向(本例中，负X轴方向)以此顺序设置在衬底10a上：第一组、第三组、第二组、以及第四组(或者第三组、第一组、第四组、以及第二组)。
X轴磁传感器中，彼此不相邻的两个传统GMR元件(即传统GMR元件96g1和96g3)串联连接以形成仅由传统GMR元件组成的一元件(第三元件)，且另两个彼此不相邻的传统GMR元件(即传统GMR元件96g2和9694)串联连接以形成仅由传统GMR元件组成的另一元件(第四元件)。此外，彼此不相邻的两个SAF元件(即SAF元件96s1和96s3)串联连接以形成仅由SAF元件组成的另一元件(第五元件)，且另两个彼此不相邻的SAF元件(即SAF元件96s2和96s4)串联连接以形成仅由SAF元件组成的另一元件(第六元件)。
采用上面的结构，第三到第六元件处于大小彼此接近的应力下是合理的。因此，第三到第六元件的应力引起的电阻变化可以是接近的。于是，磁传感器95中的通过以全桥构造连接第三到第六元件形成的X轴磁传感器可产生受置于元件上的应力影响更小的输出。
修改
本发明的磁传感器中，例如，SAF元件14和传统GMR元件12可以以半桥构造连接以形成X轴磁传感器，在元件的连接点T1处的电势作为输出Vox被取出，如图44A所示。另外，如图44B所示，全桥电路可包括固定电阻器98和99，且在连接点T2处的电势与在连接点T3处的电势之间的电势差作为X轴磁传感器的输出Vox被取出。
另一修改中，例如，在如图6所示的电路中固定电阻器可分别串联设置在SAF元件13与连接点Q1之间以及SAF元件14与连接点Q2之间。
第五实施例
磁传感器的结构
图49是根据本发明第五实施例的磁传感器210的平面图。磁传感器210包括与前述实施例中使用的衬底10a相同的单衬底(monolithic chip：单块芯片)以及总共八个巨磁致电阻元件211到214和221到224。为方便起见，磁传感器210被称为“N型磁传感器210”。
巨磁致电阻元件211、212、221、以及222是上述传统GMR元件。巨磁致电阻元件213、214、223、以及224是上述SAF元件。SAF元件213、214、223、以及224分别形成在传统GMR元件211、212、221、以及222之上(即与其交迭(overlap)、覆盖(overlie)、重叠(1ap over))，如稍后详细描述的。注意，图49所示的每个实线环中的两个元件(例如元件211和213)在垂直衬底210a的主表面的方向上(Z轴方向)彼此交迭。
也在本实施例中，巨磁致电阻元件211、212、213、以及214可分别被称为第一、第二、第三、以及第四X轴磁探测元件；巨磁致电阻元件221、222、223、以及224可分别被称为第一、第二、第三、以及第四Y轴磁探测元件。
传统GMR元件211和SAF元件21 3组成第六元件组G6；传统GMR元件212和SAF元件214组成第七元件组G7；传统GMR元件221和SAF元件223组成第八元件组G8；传统GMR元件222和SAF元件224组成第九元件组G9。第六到第九元件组G6到G9具有基本相同的结构，除了在衬底210a上它们的位置。因此，下面的说明示出第六元件组G6的结构作为代表性示例。
图50是传统GMR元件211的放大平面图。传统GMR元件211包括多个(本情况中为6个)窄条形部分211a1到211a6、多个(本情况中为7个)偏置磁体膜211b1到211b7、以及一对端子211c1和211c2。
窄条形部分211a1到211a6每个在Y轴方向上延伸，且它们从位于X轴方向上最正的位置处的窄条形部分211a1平行地沿负X轴方向设置。窄条形部分211a1的Y轴方向正端形成在偏置磁体膜211b1上。偏置磁体膜211b1连接到端子211c1。窄条形部分211a1的Y轴方向负端形成在偏置磁体膜211b2上。
窄条形部分211a2的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜211b2和211b3上。窄条形部分211a2的Y轴方向的负端在偏置磁体膜211b2上连接到窄条形部分211a1的Y轴方向的负端。窄条形部分211a3的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜211b3和211b4上。窄条形部分211a3的Y轴方向的正端在偏置磁体膜211b3上连接到窄条形部分211a2的Y轴方向的正端。
窄条形部分211a4的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜211b4和211b5上。窄条形部分211a4的Y轴方向的负端在偏置磁体膜211b4上连接到窄条形部分211a3的Y轴方向的负端。窄条形部分211a5的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜211b5和211b6上。窄条形部分211a5的Y轴方向的正端在偏置磁体膜211b5上连接到窄条形部分211a4的Y轴方向的正端。
窄条形部分211a6的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜211b6和211b7上。窄条形部分211a6的Y轴方向的负端在偏置磁体膜211b6上连接到窄条形部分211a5的Y轴方向的负端。偏置磁体膜211b7连接到端子211c2。因此，传统GMR元件211由以迂回方式串联连接的多个窄条形部分形成。图50中，点画线CL21表示贯穿每个窄条形部分的在Y轴方向上的中心的中心线。
窄条形部分211a1到211a6中的每个由图4A所示的传统自旋阀膜形成。因为窄条形部分211a1到211a6在Y轴方向上延伸，所以该自旋阀膜的自由层F在Y轴方向延伸。从而，当没有外磁场施加到自由层F时自由层F的初始磁化通过形状各向异性取向在自由层F的纵向方向上(对传统GMR元件211来说是正Y轴方向)。
偏置磁体膜211b1到211b7由与偏置磁体膜11b1到11b7相同的硬铁磁材料制成的永磁体膜(硬磁体膜)形成。偏置磁体膜211b1到211b7与直接在偏置磁体膜上的自由层F磁耦合以向自由层F施加在它们的纵向方向的偏置磁场(对于传统GMR元件211来说是正Y轴方向)。
因此，窄条形部分211a1到211a6的电阻的总和作为传统GMR元件211的电阻从端子211c1和211c2被取出。从而，传统GMR元件211的电阻如图4B和4C所示地以与传统GMR元件11相同的方式变化。更具体地，随着在正X轴方向上外磁场的强度的增加，该电阻减小。
如图51所示，SAF元件213具有如在中心线CL21折后的传统GMR元件211的形式(与传统GMR元件211的形式基本相同的形式)。换言之，SAF元件213和传统GMR元件211关于中心线CL21对称。
更具体地，SAF元件213包括多个(本情况中为6个)窄条形部分213a1到213a6、多个(本情况中为7个)偏置磁体膜213b1到21367、以及一对端子213c1和213c2。
窄条形部分213a1到213a6每个在Y轴方向上延伸，且它们从位于X轴方向上最正向的位置处的窄条形部分213a1平行沿负X轴方向设置。窄条形部分213a1的Y轴方向的负端形成在偏置磁体膜213b1上。偏置磁体膜213b1连接到端子213c1。窄条形部分213a1的Y轴方向正端形成在偏置磁体膜213b2上。
窄条形部分213a2的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜213b2和213b3上。窄条形部分213a2的Y轴方向的正端在偏置磁体膜213b2上连接到窄条形部分213a1的Y轴方向的正端。窄条形部分213a3的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜213b3和213b4上。窄条形部分213a3的Y轴方向的负端在偏置磁体膜213b3上连接到窄条形部分213a2的Y轴方向的负端。
窄条形部分213a4的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜21364和21365上。窄条形部分213a4的Y轴方向的正端在偏置磁体膜21364上连接到窄条形部分213a3的Y轴方向的正端。窄条形部分213a5的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜213b5和213b6上。窄条形部分213a5的Y轴方向的负端在偏置磁体膜213b5上连接到窄条形部分213a4的Y轴方向的负端。
窄条形部分213a6的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜213b6和213b7上。窄条形部分213a6的Y轴方向的正端在偏置磁体膜21366上连接到窄条形部分213a5的Y轴方向的正端。偏置磁体膜213b7连接到端子213c2。因此，SAF元件213由以迂回方式串联连接的多个窄条形部分形成。
图51所示的点画线CL22表示贯穿窄条形部分在Y轴方向的中心的中心线。SAF元件213基本在传统GMR元件211上面(或下面)从而其中心线CL22与传统GMR元件211的中心线CL21对齐，如图52和53所示，图53是沿图52的LIII-LIII线截取的SAF元件213的剖视图。如图53所示，绝缘层设置在传统GMR元件211和SAF元件213之间。
SAF元件213由具有图5A所示的结构的合成自旋阀膜形成。合成自旋阀膜包括自由层F、自由层F上的间隔层S、间隔层S上的固定磁化层P′、以及固定磁化层P′上的保护层(盖帽层)C。
具有上述结构的SAF元件213具有响应于沿固定磁化层P′中第一铁磁层(被钉扎层)P1的固定磁化方向在-Hc到+Hc的范围内变化的外磁场H而变化的电阻(电阻随着在正X轴方向上外磁场的强度的增加而增加)，如图5C所示。
返回参见图49，包括传统GMR元件211和SAF元件213的第六元件组设置在衬底210a的X轴方向正缘的附近且在Y轴方向的上中位置。传统GMR元件211的磁场探测方向是负X轴方向。SAF元件213的磁场探测方向是正X轴方向。包括传统GMR元件212和SAF元件214的第七元件组设置在衬底210a的X轴方向正缘的附近且在Y轴方向的下中位置。传统GMR元件212的磁场探测方向是负X轴方向。SAF元件214的磁场探测方向是正X轴方向。如所述，第六元件组G6和第七元件组G7彼此接近地设置在衬底210a的X轴方向正缘的附近(第一小区域中)。
包括传统GMR元件221和SAF元件223的第八元件组设置在衬底210a的Y轴方向正缘且在X轴方向上的左中位置。传统GMR元件221的磁场探测方向是负Y轴方向。SAF元件223的磁场探测方向是正Y轴方向。包括传统GMR元件222和SAF元件224的第九元件组设置在衬底210a的Y轴方向正缘的附近且在X轴方向上的右中位置。传统GMR元件222的磁场探测方向是负Y轴方向。SAF元件224的磁场探测方向是正Y轴方向。如所述，第八元件组G8和第九元件组G9彼此接近地设置在衬底210a的Y轴方向正缘的附近(距离该第一小区域预定距离的第二小区域)。
磁传感器210包括由元件211到214组成的X轴磁传感器(其磁场探测方向是X轴方向)以及由元件221到224组成的Y轴磁传感器(其磁场探测方向是Y轴方向)。
如图54A中的等效电路所示，X轴磁传感器包括用导电线(图49中未示出)以全桥构造连接的元件211到214。元件211到214与图6所示的元件11到14以相同的方式连接。传统GMR元件211连接到AF元件213的连接点Q1处的电势VQ1与传统GMR元件212连接到SAF元件214的连接点Q2处的电势VQ2之间的电势差Vox(＝VQ2-VQ1)作为来自X轴磁传感器的输出(第一输出)被取出。从而，X轴磁传感器输出基本比例于沿X轴变化的外磁场Hx且随着该外磁场Hx增加而减小的电压Vox，如图54B所示。
如图55A中的等效电路所示，Y轴磁传感器包括用导电线(图49中未示出)以全桥构造连接的元件221到224。元件221到224与图7所示的元件21到24以相同的方式连接。传统GMR元件221连接到SAF元件223的连接点Q3处的电势VQ3与传统GMR元件222连接到SAF元件224的连接点Q4处的电势VQ4之间的电势差Voy(＝VQ3-VQ4)作为Y轴磁传感器的输出(第二输出)被取出。从而，Y轴磁传感器输出基本比例于沿Y轴变化的外磁场Hy且随着该外磁场Hy增加而增加的电压Voy，如图55B所示。
用于制造磁传感器210的方法——被钉扎层的磁化方向的固定
现在将描述用于形成元件211到214以及221到224(用于固定被钉扎层的磁化方向)的方法。首先，要作为元件211到214以及221到224的多个膜M以岛状方式形成在将作为衬底210a的衬底210a-1上，如图56中平面图所示。这些膜M设置为使得当衬底210a-1在切割步骤中被沿着图56中的点画线CL切割成为多个如图49所示的磁传感器210时，元件211到214以及221到224如图49所示地排列在衬底210a上。稍后将描述如何形成这些膜M。
然后，准备图9和10中所示的磁体阵列30。也在本实施例中，永磁体31之上产生的磁场被用于固定元件211到214以及221到224中被钉扎层的磁化方向，如图57所示。
具有膜M的衬底210a-1设置在磁体阵列30之上。具体地，以相对位置关系设置衬底210a-1和磁体阵列使得通过沿CL线切割衬底210a-1形成的每个方形的两个相邻的且没有膜M与其相邻的边以及它们的交叉点与对应永磁体的两个相邻边及其它们的交叉点对齐，如图58中的平面图所示。因此，每个膜M被暴露于取向在垂直于膜M的窄条形部分的纵向方向的方向上的磁场中，如图57和58中的箭头所示。
然后，这样的一组衬底210a-1和磁体阵列30在真空中被加热到250到280℃且然后允许保持约4小时以用于磁场热处理。从而，传统GMR元件的固定磁化层P(被钉扎层Pd)和SAF元件的固定磁化层P′(被钉扎层P1)的磁化方向被固定。
通过上述步骤，如图59所示，在磁场热处理期间，取向在单方向的磁场被施加到要作为传统GMR元件的膜M3和要作为SAF元件的膜M4的对上，该膜对设置为一个在另一个之上(即，彼此交叠)。从而，得到了其磁场探测方向彼此反平行的两个巨磁致电阻元件。这是因为要成为传统GMR元件的膜中固定磁化层P的被钉扎层(CoFe磁层)的磁化与要成为SAF元件的膜中固定磁化层P′的第二铁磁层P2的磁化被固定在彼此相同的方向上，同时固定磁化层P′的第一铁磁层P1的磁化取向在与第二铁磁层P2的磁化方向反平行的方向上。
因此，该技术也可以提供排列在非常小的区域中的具有彼此反平行的磁场探测方向的至少两个巨磁致电阻元件。
实际上，磁场热处理之后，具有膜的衬底210a-1经受必要的处理，包括偏置磁体膜的极化，且沿着图58所示的线CL被切割。结果，同时制造出多个图49所示的磁传感器210和多个图60所示的磁传感器240。
为了方便起见，磁传感器240被称为“S型磁传感器240”。磁传感器240包括巨磁致电阻元件241到244以及246到249。元件241、242、246、以及247是传统GMR元件；元件243、244、248、以及249是SAF元件。SAF元件243、244、248、以及249分别在传统GMR元件241、242、246、以及247之上。这些元件中自由层的初始磁化和其方向反平行于磁场探测方向的被钉扎层(邻接间隔层的铁磁层)的固定磁化如图60所示地取向。图60所示地每个实线环中的两个元件(例如元件241和243)在垂直于衬底210a的主表面的方向上(Z轴方向)彼此交迭。
元件241、242、243、以及244分别被称为第一、第二、第三、以及第四X轴磁探测元件。这些X轴磁探测元件以全桥构造连接以形成X轴磁传感器，如磁传感器210的元件211、212、213、以及214中一样。类似地，元件246、247、248、以及249分别被称为第一、第二、第三、以及第四Y轴磁探测元件。这些Y轴磁探测元件以全桥构造连接以形成Y轴磁传感器，如磁传感器210的元件221、222、223、以及224中一样。
用于形成膜M的方法
现在将描述用于形成膜M(要作为传统GMR元件和SAF元件)的方法(膜形成步骤)。
步骤31：准备如图61A所示的衬底210a。衬底210a具有包括用于桥构造的导线210a1和覆盖导线210a1的绝缘层210a2的绝缘/布线层。绝缘层210a2具有用于电连接的通孔VIA。导线210a1部分暴露在通孔VIA的底部。
步骤32：参见图61B，要成为偏置磁体膜的层211b(用于形成偏置磁体膜211b1到211b7的CoCrPt层)通过溅镀形成在衬底210a上。
步骤33：参见图61C，抗蚀剂层R1形成在CoCrPt层211b的上表面上。构图抗蚀剂层R1以仅覆盖用于偏置磁体膜的CoCrPt层211b的必要区域。换言之，抗蚀剂层R1形成为抗蚀剂掩模。
步骤34：参见图62A，用于偏置磁体膜的CoCrPt层211b的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤35：参见图62B，抗蚀剂层R1被除去。
步骤36：参见图62C，如图4A所示的要成为传统GMR元件的复合层211a(用于形成窄条形部分211a1到211a6的层)形成在衬底210a的上表面之上。
步骤37：参见图63A，抗蚀剂层R2形成在复合层211a的上表面上，随后被构图从而仅覆盖用于形成传统GMR元件的复合层211a的必要区域。换言之，抗蚀剂层R2形成为抗蚀剂掩模。
步骤38：参见图63B，复合层211a的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤39：参见图63C，抗蚀剂层R2被除去。
步骤40：参见图64A，SiN绝缘层IN通过化学气相沉积(CVD)形成在衬底210a之上的上表面上。供选地，绝缘层IN可以由SiO2形成。
步骤41：参见图64B，抗蚀剂层R3形成在绝缘层IN的除了将形成通孔VIA的区域外的上表面上。换言之，抗蚀剂层R3作为抗蚀剂掩模。
步骤42：参见图64C，绝缘层IN的不必要区域通过离子研磨被除去，从而形成通孔VIA。
步骤43：参见图65A，抗蚀剂层R3被除去。
步骤44：参见图65B，要成为偏置磁体膜的层213b(用于形成偏置磁体膜213b1到21367的CoCrPt层)通过溅镀形成在衬底210a之上的上表面上。
步骤45：参见图65C，抗蚀剂层R4形成在CoCrPt层213b的上表面上。构图抗蚀剂层R4从而仅覆盖用于偏置磁体膜的CoCrPt层213b的必要区域。换言之，抗蚀剂层R4形成为抗蚀剂掩模。
步骤46：参见图66A，用于偏置磁体膜的CoCrPt层213b的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤47：参见图66B，抗蚀剂层R4被除去。
步骤48：参见图66C，图5A所示的要成为SAF元件的复合层213a(用于形成窄条形部分213a1到213a6的层)形成在衬底210a之上的上表面上。
步骤49：参见图67A，抗蚀剂层R5形成在复合层213a的上表面上，然后被构图从而覆盖用于形成SAF元件的复合层213a的必要区域。换言之，抗蚀剂层R5形成为抗蚀剂掩模。
步骤50：参见图67B，SAF元件复合层213a的不必要区域通过离子研磨被除去。
步骤51：参见图67C，抗蚀剂层R5被除去。
这样，分别要作为传统GMR元件和SAF元件的复合膜211a和213a形成为一个在另一个之上(形成为彼此交迭)。然后，实施上述磁场热处理。
尽管上面的方法中要作为传统GMR元件的膜形成在要作为SAF元件的膜之前，但是要作为SAF元件的膜可以形成在形成要作为传统GMR元件的膜之前。
如上所述，上面的方法包括：膜形成步骤(步骤31到51)，其在衬底210a上(更准确地，在将成为衬底210a的衬底210a-1上)形成要作为传统GMR元件的复合层211a(膜)和要作为SAF元件的复合层213a，该传统GMR元件是第一巨磁致电阻元件，该SAF元件是第二巨磁致电阻元件；以及磁场热处理，其用于在高温下向膜施加取向在单方向上的磁场以固定膜中被钉扎层的磁化方向。
该磁场热处理步骤容易地将每个传统GMR元件(例如传统GMR元件211)中固定磁化层的被钉扎层的磁化以及每个SAF元件(例如SAF元件213)中固定磁化层的被钉扎层的磁化固定在彼此反平行的方向上。因此，在单衬底上容易地制造出具有彼此反平行的磁场探测方向的两个巨磁致电阻元件。
另外，该磁场热处理使用从磁体阵列30产生的磁场。因此，可以有效地一次制造大量磁传感器，可以容易地得到探测彼此垂直的两个方向例如X轴和Y轴方向的巨磁致电阻元件和磁传感器。
此外，该膜形成步骤包括子步骤：
在衬底上形成(沉积)要成为偏置磁体膜的层(第一偏置磁层)211b(步骤32)；
除去第一偏置磁层211b的不必要区域(步骤33到35)；
在该衬底上形成(沉积)要成为第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)或者第二巨磁致电阻元件(SAF元件)的第一复合层(步骤36)；
除去第一复合层的不必要区域(步骤37到39)；
该第一复合层的不必要区域被除去之后用绝缘层IN覆盖(涂敷)第一复合层(步骤40)；
除去绝缘层IN的不必要区域从而形成通孔VIA(步骤41到43)；
在绝缘层IN上形成(沉积)要成为偏置磁体膜的层(第二偏置磁层)213b(步骤44)；
除去第二偏置磁层213b的不必要区域(步骤45到47)；
在绝缘层IN以及通孔VIA之上形成(沉积)要成为另一巨磁致电阻元件的第二复合层(步骤48)；以及
除去第二复合层的不必要区域(步骤49到51)。
通过上述方法，要作为传统GMR元件和SAF元件的膜不间断地(以连续形式)形成在单衬底上。
如上所述，磁传感器210具有在单衬底上的传统GMR元件和SAF元件，所述元件在垂直方向上(即垂直于衬底的主表面的方向)一个位于另一个之上(彼此交迭)。从而，通过对这些元件简单地施加取向在单方向的磁场，所得的磁传感器210可具有其磁场探测方向彼此反平行且设置在小区域中的元件。因此，磁传感器210可以非常小。
磁传感器210的形成在衬底210a上的巨磁致电阻元件211到214以及221到224被涂敷树脂膜(resin film)等。因此，如果衬底210a或树脂膜通过热或外应力而变形，则巨磁致电阻元件211到214以及221到224也因此通过热或外应力而变形，且它们的电阻改变。因此，磁传感器的桥电路，其中巨磁致电阻元件如磁传感器210中一样以桥构造连接，失去其平衡，且输出由于应力而改变。因此，这样的磁传感器不能准确地探测外磁场的强度。
然而，在磁传感器210中，形成全桥电路的巨磁致电阻元件211到214(或者巨磁致电阻元件221到224)设置在衬底210a上小区域中，应力(例如张应力或压应力)几乎均匀地置于这些元件上。巨磁致电阻元件的电阻因此均匀地增大或减小。因此，可以减小桥电路失去平衡的可能性。因此，磁传感器210可准确地探测磁场。
第六实施例
现在将描述根据本发明第六实施例的磁传感器。图68示出第六实施例的磁传感器的放大平面图。该磁传感器中，传统GMR元件和SAF元件以这样的方式彼此交迭(使一个位于另一个之上)：当从上面观察时，传统GMR元件的窄条形部分与SAF元件的窄条形部分交叉。
更具体地，第六实施例的磁传感器包括第六到第九元件组G6′到G9′，其替代第五实施例的磁传感器210的第六到第九元件组G6到G9。第六到第九元件组G6′到G9′具有基本相同的结构，除了在衬底210a上的它们的位置。下面的说明示出第六元件组G6′的结构作为代表性示例。
第六元件组G6′的传统GMR元件211′包括多个(本例中为四个)窄条形部分211a1′到211a4′、多个(本例中为五个)偏置磁体膜211b1′到211b5′、以及一对端子211c1′和211c2′，如图68所示。
窄条形部分211a1′到211a4′之中窄条形部分211a1′位于X轴方向的最正向位置。窄条形部分211a1′在相对于正X轴方向顺时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分211a1′的Y轴方向的正端形成在偏置磁体膜211b1′上。偏置磁体膜211b1′连接到端子211c1′。窄条形部分211a1′的Y轴方向的负端形成在偏置磁体膜211b2′上。
另一窄条形部分211a2′与窄条形部分211a1′相邻。窄条形部分211a2′在相对于正X轴方向逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分211a2′的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜211b2′和211b3′上。窄条形部分211a2′的Y轴方向负端在偏置磁体膜211b2′上连接到窄条形部分211a1′的Y轴方向负端。
另一窄条形部分211a3′与窄条形部分211a2′相邻。窄条形部分211a3′在相对于正X轴方向顺时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分211a3′的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜211b3′和211b4′上。窄条形部分211a3′的Y轴方向正端在偏置磁体膜211b3′上连接到窄条形部分211a2′的Y轴方向正端。
另一窄条形部分211a4′与窄条形部分211a3′相邻。窄条形部分211a4′在相对于正X轴方向逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分211a4′的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜211b4′和211b5′上。窄条形部分211a4′的Y轴方向负端在偏置磁体膜211b4′上连接到窄条形部分211a3′的Y轴方向负端。偏置磁体膜211b5′连接到端子211c2′。如所述，传统GMR元件211′由以迂回方式串联连接的多个窄条形部分形成。
第六元件组G6′的SAF元件213′包括多个(本例为四个)窄条形部分213a1′到213a4′、多个(本例为五个)偏置磁体膜213b1′到21365′、以及一对端子213c1′和213c2′。
窄条形部分213a1′到213a4′之中窄条形部分213a1′位于X轴方向的最正向位置。窄条形部分213a1′在相对于正X轴方向逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分213a1′的Y轴方向的负端形成在偏置磁体膜213b1′上。偏置磁体膜213b1′连接到端子213c1′。窄条形部分213a1′的Y轴方向的正端形成在偏置磁体膜213b2′上。
另一窄条形部分213a2′与窄条形部分213a1′相邻。窄条形部分213a2′在相对于正X轴方向顺逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分213a2′的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜21362′和21363′上。窄条形部分213a2′的Y轴方向正端在偏置磁体膜213b2′上连接到窄条形部分213a1′的Y轴方向正端。
另一窄条形部分213a3′与窄条形部分213a2′相邻。窄条形部分213a3′在相对于正X轴方向逆逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分213a3′的Y轴方向的负端和正端分别形成在偏置磁体膜21363′和21364′上。窄条形部分213a3′的Y轴方向负端在偏置磁体膜21363′上连接到窄条形部分213a2′的Y轴方向负端。
另一窄条形部分213a4′与窄条形部分213a3′相邻。窄条形部分213a4′在相对于正X轴方向顺逆时针旋转锐角θ的方向上延伸。窄条形部分213a4′的Y轴方向的正端和负端分别形成在偏置磁体膜21364′和21365′上。窄条形部分211a4′的Y轴方向正端在偏置磁体膜21364′上连接到窄条形部分213a3′的Y轴方向正端。偏置磁体膜21365′连接到端子213c2′。如所述，SAF元件213′由以迂回方式串联连接的多个窄条形部分形成。SAF元件213′的窄条形部分设置在传统GMR元件211′的窄条形部分之上，从而当从上面观察时与它们交叉。SAF元件213′的窄条形部分和传统GMR元件211′的窄条形部分通过至少在它们交叉点处的绝缘层(未示出)被分隔开。
根据第六实施例的磁传感器具有在单衬底210a上垂直方向上(垂直于该衬底的主表面)一个位于另一个之上的传统GMR元件和SAF元件，象磁传感器210中一样。因此，通过向要作为这些元件的膜施加取向在单方向的磁场，可以在单衬底上小区域中容易且高效地形成具有180°不同的磁场探测方向的至少两个巨磁致电阻元件。因此，第六实施例的磁传感器可以非常小。尽管，第六实施例描述了其中SAF元件213′在传统GMR元件211′上且其间有绝缘层的磁传感器，但是传统GMR元件211′可以在SAF元件213′上，其间有绝缘层。
第七实施例
现在将描述根据本发明第七实施例的磁传感器。如图69所示，磁传感器250包括单衬底250a、传统GMR元件251G到254G和271G到274G、以及SAF元件261S到264S和281S到284S。图69所示的每个实线环中的两个元件(例如元件251G和261S)在垂直于衬底210a的主表面的方向上(Z轴方向)一个位于另一个之上(彼此交迭)，其间有绝缘层。
衬底250a由与衬底10a具有相同结构的薄硅片制成。
传统GMR元件251G到254G和271G到274G每个与前述传统GMR元件11具有相同的结构。SAF元件261S到264S和281S到284S每个与前述SAF元件13具有相同的结构。
构造每个元件的自旋阀膜(例如自旋阀膜的层的厚度)，使得如果在元件的各自的磁场探测方向上向元件施加具有相同强度的磁场，则元件具有相同的电阻，并且使得如果具有相同大小(以及相同方向)的应力分别置于元件上，则元件的电阻变化相同的量(相同的程度)。
传统GMR元件251G到254G和271G到274G以及SAF元件261S到264S和281S到284S形成表5和6所示的第十一到第十八元件组。表5和6示出元件组的位置、传统GMR元件251G到254G和271G到274G的固定磁化层P的被钉扎层Pd的固定磁化方向以及SAF元件261S到264S和281S到284S的固定磁化层P′中第一铁磁层P1(即被钉扎层)的固定磁化方向、以及每个元件的磁场探测方向。图69和表5、6所示的第十一到第十四区域的每个中的元件处于由例如衬底250a的形变导致的均匀应力下。
表5
元件组 衬底250a上的位置 元件   被钉扎层的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
第11组   Y轴方向：上中X轴方向：负缘附近(第11区域中)   传统GMR251G 负X轴 负Y轴 正X轴
  SAF 261S   正X轴  负Y轴   负X轴
第12组   Y轴方向：下中X轴方向：负缘附近(第11区域中)   传统GMR252G 负X轴 负Y轴 正X轴
  SAF 262S   正X轴  负Y轴   负X轴
第13组   Y轴方向：上中X轴方向：正缘附近   传统GMR253G 正X轴 正Y轴 负X轴
 (第12区域中)   SAF 263S   负X轴   正Y轴   正X轴
第14组  Y轴方向：下中X轴方向：正缘附近(第12区域中)   传统GMR254G 正X轴 正Y轴 负X轴
  SAF 264S   负X轴   正Y轴   正X轴
表6
元件组 衬底250a上的位置 元件   被钉扎层的磁化方向  自由层F的初始磁化方向   磁场探测方向
第15组   X轴方向：左中Y轴方向：正缘附近(第13区域中)   传统GMR271G 正Y轴 正X轴 负Y轴
  SAF 281S   负Y轴  正X轴   正Y轴
第16组   X轴方向：右中Y轴方向：正缘附近(第13区域中)   传统GMR272G 正Y轴 正X轴 负Y轴
  SAF 282S   负Y轴  正X轴   正Y轴
第17组   X轴方向：左中Y轴方向：负缘附近(第14区域中)   传统GMR273G 负Y轴 负X轴 正Y轴
  SAF 283S   正Y轴  负X轴   负Y轴
第18组   X轴方向：右中Y轴方向：负缘附近(第14区域中)   传统GMR274G 负Y轴 负X轴 正Y轴
  SAF 284S   正Y轴  负X轴   负Y轴
本实施例中，传统GMR元件和SAF元件可称为如表7所示的指定名称。
表7
  元件   名称   元件   名称
传统GMR 251G   第一巨磁致电阻元件 传统GMR 271G   第十一(第一)巨磁致电阻元件
SAF 261S   第二巨此致电阻元件 SAF 281S   第十二(第二)巨磁致电阻元件
  传统GMR 252G   第三巨磁致电   传统GMR 272G   第十三(第三)巨
阻元件 磁致电阻元件
SAF 262S 第四巨磁致电阻元件 SAF 282S 第十四(第四)巨磁致电阻元件
传统GMR 253G 第五巨磁致电阻元件 传统GMR 273G 第十五(第五)巨磁致电阻元件
SAF 263S 第六巨磁致电阻元件 SAF 283S 第十六(第六)巨磁致电阻元件
传统GMR 254G 第七巨磁致电阻元件 传统GMR 274G 第十七(第七)巨磁致电阻元件
SAF 264S 第八巨磁致电阻元件 SAF 284S 第十八(第八)巨磁致电阻元件
磁传感器250具有包括第一X轴磁传感器250X1、第二X轴磁传感器250X2、以及差分电路250Xdif的X轴磁传感器250X，如图70所示。
第一X轴磁传感器250X1包括用导电线(图69未示出)以全桥构造连接的四个传统GMR元件251G到254G，如图71A中的等效电路所示。第一X轴磁传感器250X1是图32A所示的第一X轴磁传感器50X1的修改形式，传统GMR元件251G到254G分别对应传统GMR元件51G到54G。
因此，第一X轴磁传感器250X1输出传统GMR元件251G连接到传统GMR元件253G的连接点Q210处的电势VQ210与传统GMR元件254G连接到传统GMR元件252G的连接点Q220处的电势VQ220之间的差VoxConv(＝VQ210-VQ220)(传统GMR元件输出、X轴传统GMR元件输出)。
图71A中与传统GMR元件251G到254G相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该传统GMR元件未受应力时、当张应力施加到该传统GMR元件时、以及当压应力施加到该传统GMR元件时电阻R根据外磁场Hx的变化。
当传统GMR元件251G到254G未受应力时，第一X轴磁传感器250X1的输出VoxConv基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度增加而减小，如图71B中的实线所示。
第二X轴磁传感器250X2包括用导电线(图69中未示出)以全桥构造连接的四个SAF元件261S到264S，如图72A中的等效电路所示。第二X轴磁传感器250X2是图33A所示的第二X轴磁传感器50X2的修改形式，SAF元件261S到264S分别对应SAF元件61S到64S。
因此，第二X轴磁传感器250X2输出SAF元件261S连接到SAF元件263S的连接点Q230处的电势VQ230与SAF元件264S连接到SAF元件262S的连接点Q240处的电势VQ240之间的差VoxSAF(＝VQ230-VQ240)(SAF元件输出、X轴SAF元件输出)。
图72A中与SAF元件261S到264S相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该SAF元件未受应力时、当张应力施加到该SAF元件时、以及当压应力施加到该SAF元件时电阻R响应于外磁场Hx的变化。
当SAF元件261S到264S未受应力时，第二X轴磁传感器250X2的输出VoxSAF基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度增加而增加，如图72B中实线所示。
差分电路250Xdif从第二X轴磁传感器250X2的输出VoxSAF减去第一X轴磁传感器250X1的输出VoxConv，且输出所得的差，其被定义为X轴磁传感器250X的输出Vox，如图70所示。因此，磁传感器250的该输出(X轴输出)Vox基本比例于外磁场Hx，且随着外磁场Hx的强度增加而增加，如图73所示。
磁传感器250还具有Y轴磁传感器250Y，如图74所示。Y轴磁传感器250Y包括第一Y轴磁传感器250Y1、第二Y轴磁传感器250Y2、以及差分电路250Ydif。
第一Y轴磁传感器250Y1包括用导电线(图69中未示出)以全桥构造连接的四个传统GMR元件271G到274G，如图75A中等效电路所示。第一Y轴磁传感器250Y1是图36A所示的第一Y轴磁传感器50Y1的修改形式，传统GMR元件271G到274G分别对应传统GMR元件71G到74G。
因此，第一Y轴磁传感器250Y1输出传统GMR元件271G连接到传统GMR元件273G的连接点Q250处的电势VQ250与传统GMR元件274G连接到传统GMR元件272G的连接点Q260处的电势VQ260之间的电势差VoyConv(＝VQ250-VQ260)(传统GMR元件的输出，传统GMR元件的Y轴输出)。
图75A中与传统GMR元件271G到274G相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该传统GMR元件未受应力时、当张应力施加到该传统GMR元件时、以及当压应力施加到该传统GMR元件时电阻R响应于外磁场Hy的变化。
当传统GMR元件271G到274G未受应力时，第一Y轴磁传感器250Y1的输出VoyConv基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度增加而增加，如图75B中的实线所示。
第二Y轴磁传感器250Y2包括用导电线(图69中未示出)以全桥构造连接的四个SAF元件281S到284S，如图76A中的等效电路所示。第二Y轴磁传感器250Y2是图37A所示的第二Y轴磁传感器50Y2的修改形式，SAF元件281S到284S分别对应SAF元件81S到84S。
因此，第二Y轴磁传感器250Y2输出SAF元件281S连接到SAF元件283S的连接点Q270处的电势VQ270与SAF元件284S连接到SAF元件282S的连接点Q280处的电势VQ280之间的差VoySAF(＝VQ270-VQ280)(SAF元件输出，Y轴SAF元件输出)。
图76A中与SAF元件281S到284S相邻的曲线图每个示出它们的相邻元件的特性。在每个曲线图中，实线、虚线、以及双点画线分别表示当该SAF元件未受应力时、当张应力施加到该SAF元件时、以及当压应力施加到该SAF元件时电阻R响应于外磁场Hy的变化。
当SAF元件281S到284S未受应力时，第二Y轴磁传感器250Y2的输出VoySAF基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度增加而减小，如图76B中的实线所示。
差分电路250Ydif从第一Y轴磁传感器250Y1的输出VoyConv减去第二Y轴磁传感器250Y2的输出VoySAF，且输出所得的差，其被定义为Y轴磁传感器250Y的输出Voy，如图74所示。因此，磁传感器250的输出Voy(Y轴输出)基本比例于外磁场Hy，且随着外磁场Hy的强度增加而增加，如图77所示。
第七实施例的磁传感器250与磁传感器50以完全相同的方式运行，不再重复描述磁传感器250如何运行。除非外磁场改变，即使置于元件上的应力改变，磁传感器250以及磁传感器50也可产生基本恒定的输出。因此，磁传感器250可准确地探测磁场。此外，磁传感器250中，传统GMR元件和SAF元件(例如传统GMR元件251G和SAF元件261S)一个位于另一个之上，因此，非常接近的应力施加到彼此交迭的这两个元件上。结果，磁传感器250比磁传感器50受应力影响更小。
第八实施例
现在将说明根据本发明第八实施例的磁传感器。第八实施例的磁传感器中，仅图49所示的第五实施例的磁传感器210中第六元件组G6(传统GMR元件211和SAF元件213)设置在衬底Sub上，如图78A所示。SAF元件213和传统GMR元件211以半桥构造连接，在元件的连接点T1处的电势作为X轴磁传感器的输出Vox被取出，如图78B所示。代替上述垂直双向磁传感器，本发明的磁传感器可以是仅包括X轴磁传感器的单向磁传感器。
另一修改
本发明的磁传感器可以具有包括固定电阻器Rfix1和Rfix2的全桥电路，如图79所示。连接点T2和连接点T3之间的电势差作为X轴磁传感器的输出Vox被取出。
另一修改
磁传感器中的桥电路可以包括固定电阻器。例如，在图54A所示的电路中，固定电阻器可以分别串联设置在SAF元件213和连接点Q1之间以及SAF元件214和连接点Q2之间，或者SAF元件211和连接点Q1之间以及SAF元件212和连接点Q2之间。
另一修改
在该衬底上SAF元件可以以这样的方式设置在传统GMR元件之下，其间具有绝缘层：每个SAF元件的窄条形部分的中心线CL22与每个传统GMR元件的窄条形部分的中心线CL21对齐。
第九实施例
磁传感器的结构
图80是根据本发明第九实施例的磁传感器310的平面图。磁传感器31包括与前述衬底10a相同的单衬底(单块芯片)310a、X轴磁传感器311、以及Y轴磁传感器321。为了方便起见，磁传感器310称为“N型磁传感器310”。
X轴磁传感器311探测外磁场的X轴方向的分量。X轴磁传感器311在衬底310a上设置在衬底310a的X轴方向正缘附近且在衬底310a的Y轴方向的基本中间位置。Y轴磁传感器321探测外磁场在Y轴方向的分量。Y轴磁传感器321在衬底310a上设置在衬底310a的Y轴方向的正缘附近且在衬底310a的X轴方向的基本中间位置。如图80所示，Y轴磁传感器321具有与X轴磁传感器311相同的结构，除了其所处状态为X轴磁传感器311在平面图中逆时针旋转90°。下面的描述将说明X轴磁传感器。
X轴磁传感器311包括四个偏置磁体膜312到315，一对传统GMR元件(第一巨磁致电阻元件)316和317、以及一对SAF元件(第二巨磁致电阻元件)318和319，如图81所示。
偏置磁体膜312到315每个由永磁体膜(硬磁体膜)形成且被极化从而它们的磁化取向在正Y轴方向，该永磁体膜(硬磁体膜)由与偏置磁体膜11b1到11b7相同的硬铁磁材料制成。如图82和83所示，其分别是沿图81的1-1线和2-2线截取的X轴磁传感器311的剖视图，偏置磁体膜312到315的每个具有相对于衬底310a的上表面(主表面)的斜面以及平行于衬底310a的表面的上表面；因此偏置磁体膜具有梯形横截面(作为垂直截面)。偏置磁体膜312到315的上表面位于(出现在)相同的平面中。
如图81所示，当从上面观察时偏置磁体膜312形成为T形。偏置磁体膜312设置在衬底310a的X轴方向正缘的附近且在Y轴方向的中间位置。偏置磁体膜313在平面图中具有矩形形状，且设置在沿正Y轴方向距偏置磁体膜312第一距离处。
偏置磁体膜314在平面图中与偏置磁体膜312具有相同的T形，且设置在沿负X轴方向距偏置磁体膜312第二距离处，该第二距离短于该第一距离。偏置磁体膜315在平面图中具有与偏置磁体膜313相同的矩形形状，且设置在沿负Y轴方向距偏置磁体膜312第一距离处。
传统GMR元件316在平面图中具有窄条形且沿Y轴方向延伸，如图81所示。如图82所示，传统GMR元件316形成在衬底310a的上表面上。传统GMR元件316的一端与偏置磁体膜312的斜面接触，且另一端与偏置磁体膜313的斜面接触。
传统GMR元件316的膜结构是与图4A所示的传统自旋阀膜相同的结构。SiO2或者SiN绝缘/布线层(未示出)可设置在衬底310a的上表面与自由层F之间。衬底310a和绝缘/布线层可组成“衬底”。
施加外磁场之前自由层F的初始磁化通过形状各向异性取向在其纵向方向(对传统GMR元件316为正Y轴方向)。
传统GMR元件316中，固定磁化层P的邻接间隔层S的CoFe磁层Pd的磁化被固定在正X轴方向。因此，传统GMR元件316的磁场探测方向是在负X轴方向。
传统GMR元件316的自由层F与直接在传统GMR元件316的两端下面的偏置磁体膜312和313磁耦合。从而，偏置磁体膜312和313在自由层F的纵向方向(对传统GMR元件316为正Y轴方向)向传统GMR元件316的自由层F施加偏置磁场。
传统GMR元件317与传统GMR元件316具有相同的形状、结构、以及特性。因此，传统GMR元件317的磁场探测方向是在负X轴方向。如图83所示，传统GMR元件317形成在衬底310a的上表面上。传统GMR元件317的一端与偏置磁体膜14的斜面接触，且另一端与偏置磁体膜315的斜面接触。从而，偏置磁体膜314和315在正Y轴方向向传统GMR元件317(传统GMR元件317的自由层F)施加偏置磁场。
当从上面观察时，SAF元件318包括平行于Y轴方向延伸的窄条形部分，如图81所示。SAF元件318的Y轴方向的正端具有稍微小于偏置磁体膜313的矩形形状，且位于偏置磁体膜313的上表面上。SAF元件318的Y轴方向的负端具有稍微小于偏置磁体膜314的T形，且位于偏置磁体膜314的上表面上。SAF元件318的窄条形部分形成在绝缘层INS的上表面上，如图81和83所示。绝缘层INS形成在衬底310a上，使得其上表面与偏置磁体膜313和314(以及偏置磁体膜312和315)的上表面位于相同的平面中；因此，SAF元件318位于由偏置磁体膜313和314的上表面以及绝缘层INS的上表面定义的平面上。
SAF元件318的膜结构是图5A所示的合成自旋阀膜。SAF元件318中，固定磁化层P′的邻接间隔层S的第一磁层P1的磁化固定在负X轴方向。因此SAF元件318的磁场探测方向是在正X轴方向。
SAF元件318的自由层F与直接在SAF元件318的两端下面的偏置磁体膜313和314磁耦合。从而，偏置磁体膜313和314在自由层F的纵向方向(对SAF元件318为正Y轴方向)向SAF元件318的自由层F施加偏置磁场。
SAF元件319与SAF元件318具有相同的形状、结构、以及特性。因此SAF元件319的磁场探测方向是在正X轴方向。如图81所示，当从上面观察时SAF元件319具有平行于Y轴方向的窄条形部分。SAF元件319的Y轴方向的正端具有稍微小于偏置磁体膜312的T形，且位于偏置磁体膜312的上表面上。SAF元件319的Y轴方向的负端具有稍微小于偏置磁体膜315的矩形形状，且位于偏置磁体膜315的上表面上。SAF元件319的窄条形部分形成在绝缘层INS的上表面上，如图81和82所示。绝缘层INS形成在衬底310a上使得其上表面与偏置磁体膜312和315的上表面位于相同的平面中；因此，SAF元件319位于由偏置磁体膜312和315的上表面以及绝缘层INS的上表面定义的平面上。
SAF元件319的自由层F与直接在SAF元件319的两端下面的偏置磁体膜312和315磁耦合。从而，偏置磁体膜312和315在自由层F的纵向方向(对SAF元件319为正Y轴方向)向SAF元件319的自由层F施加偏置磁场。
如上所述，X轴磁传感器311中，偏置磁体膜312到315的每个向单传统GMR元件和单SAF元件施加偏置磁场。换言之，传统GMR元件和SAF元件的对接收来自公共偏置磁体膜的偏置磁场。
X轴磁传感器311中，元件316到319以全桥构造连接，如图84A中的等效电路所示。然后，第一电势+Vd(来自未示出的恒定电压源的恒定电压)通过未示出的路径施加到偏置磁体膜313，且偏置磁体膜315接地(连接到GND)，从而不同于第一电势的第二电势(0V)施加到它上面。偏置磁体膜312的电势Vout1与偏置磁体膜314的电势Vout2之间的差作为X轴磁传感器311的输出Vox被取出。因此，X轴磁传感器311输出基本比例于在X轴方向的外磁场分量Hx且随外磁场Hx增加而增加的电压Vox，如图84B所示。
在平面图中，Y轴磁传感器321与逆时针旋转90°的X轴磁传感器相同。因此，Y轴磁传感器321输出基本比例于外磁场的Y轴方向强度Hy或Y轴分量且随着外磁场强度Hy增加而增加的电压Voy。
用于制造磁传感器310的方法
现在将描述一种用于制造磁传感器310(X轴磁传感器311和Y轴磁传感器321)的方法。X轴磁传感器311和Y轴磁传感器321在相同工艺中同时形成。下面的描述将参考图85到87说明如何制造X轴磁传感器311。图85到87是沿图81的线1-1截取的截面图，每个示出制造磁传感器310过程中的状态。
首先，准备衬底310a(衬底准备步骤)。然后，沉积用于形成偏置磁体膜312到315的层。具体地，用于形成偏置磁体膜312到315的层通过溅镀沉积在衬底310a的整个上表面上，随后用抗蚀剂层掩模化该层的必要区域。然后，不必要的区域通过离子研磨被除去，其后除去抗蚀剂层。于是，要作为偏置磁体膜312、313、315、以及314(图85中未示出314)的膜形成在预定位置。
接着，形成传统GMR元件316和317。具体地，用于形成传统GMR元件316和317的复合层沉积在衬底310a的和要作为偏置磁体膜的膜的整个上表面上。其后，抗蚀剂层形成(沉积)在该复合层的上表面上，且被构图从而仅覆盖要成为传统GMR元件316和317的该复合层的必要区域。通过离子研磨除去该复合层的不必要区域，且该抗蚀剂层被除去。于是，要作为传统GMR元件316和317(图85中未示出317)的第一膜形成在预定位置。这些工艺称为第一膜形成步骤。
接着，如图86所示，SiN绝缘层INS通过CVD形成在衬底310a、要作为偏置磁体膜312到315的膜、以及要作为传统GMR元件316和317的第一膜的上表面上。供选地，绝缘层INS可以由SiO2制成。该步骤称为绝缘层形成步骤。
其后，绝缘层INS被除去直到要作为偏置磁体膜312到315的膜被暴露。要作为偏置磁体膜312到315的膜、绝缘层INS、以及第一膜316和317的端部的表面被研磨至彼此平齐。该步骤称为平坦化步骤。
接着，如图87所示，一对要作为SAF元件318和319的膜形成在该平坦化的表面上。具体地，用于形成要作为SAF元件318和319的膜的复合层形成(沉积)在整个平坦化的表面上。然后，抗蚀剂层形成(沉积)在该复合层的上表面上，且被构图从而仅覆盖该复合层的必要区域。其后，该复合层的不必要区域通过离子研磨被除去，抗蚀剂层被除去。于是，要作为SAF元件319和318(图87中未示出318)的第二膜形成在预定位置。这些工艺称为第二膜形成步骤。通过上述步骤，在图80所示的位置设置具有图81所示的形状且将成为X轴磁传感器311和Y轴磁传感器321的膜。
实际上，将成为X轴磁传感器311和Y轴磁传感器321的多组膜M形成在包括多个衬底310a的衬底310a-1上，如图88所示。此示例中，在衬底310a-1上设置膜M使得衬底310a-1在下面描述的切割步骤中被沿线CL切割成磁传感器310(衬底310a)之后膜M如图80所示地定位在衬底310a上。
随后，取向在单方向的磁场在高温被施加到要作为传统GMR元件和SAF元件的所得膜上，从而固定该膜的被钉扎层的磁化方向。该步骤称为磁场热处理步骤。
磁场热处理步骤使用图9和10所示的磁体阵列30。也在本实施例中，产生在永磁体31之上的磁场被用于固定元件316到319中被钉扎层的磁化方向，如图89所示。
具体地，具有膜M的衬底310a-1以一相对位置关系设置于磁体陈列30之上，使得通过沿线CL切割衬底310a-1而形成的每个正方形的没有膜M与其相邻的两边及其交叉点与对应的永磁体的两边及其交叉点对齐，如图90中的平面图所示。因此，每个膜M暴露于如图89和90的箭头所示的取向在垂直于该膜M的窄条形部分的纵向方向的方向上的磁场中。
然后，这样一组衬底310a-1和磁体阵列30在真空中被加热到250到280℃且随后允许保持约4小时以用于磁场热处理。结果，传统GMR元件的固定磁化层P(被钉扎层Pd)和SAF元件的固定磁化层P′(被钉扎层P1)的磁化方向被固定。
更具体地，取向在单方向的磁场通过磁场热处理被施加到要作为传统GMR元件和SAF元件的膜上，如图91所示。从而，得到其磁场探测方向彼此反平行的巨磁致电阻元件的对。因此根据本实施例的上述制造方法可在非常小的区域中制造其磁场探测方向在负X轴方向的两个传统GMR元件(例如，传统GMR元件316和317)和其磁场探测方向在正X轴方向的两个SAF元件(例如SAF元件318和319)的组。
注意，实际上，磁场热处理之后，具有膜的衬底310a-1经历必要的处理，包括偏置磁体膜的极化，且沿着图90所示的线CL被切割成多个图80所示的磁传感器310和多个S型磁传感器(未示出)。
如上所述，磁传感器310的X轴磁传感器311和Y轴磁传感器321每个具有以全桥构造连接的一对传统GMR元件和一对SAF元件。通过施加取向在单方向的磁场到传统GMR元件和SAF元件，这两种类型的巨磁致电阻元件的磁场探测方向彼此反平行。因此，根据本实施例的磁传感器310可具有“其磁场探测方向彼此反平行的巨磁致电阻元件”，其是形成桥构造所需要的，且彼此非常接近地设置。因此，磁传感器310可以非常小。
本实施例中，磁传感器310包括：
形成在衬底310a上使得接触第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件316)的端部的第一偏置磁体膜(例如偏置磁体膜312)，该第一偏置磁体膜施加取向在基本垂直于第一方向(例如负X轴方向)的第三方向(例如正Y轴方向)的偏置磁场到第一巨磁致电阻元件；
形成在衬底310a上从而接触第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件318)的端部的第二偏置磁体膜(例如偏置磁体膜314)，该第二偏置磁体膜施加取向在该第三方向的偏置磁场到第二巨磁致电阻元件；以及
形成在衬底310a上从而接触第一巨磁致电阻元件的另一端和第二巨磁致电阻元件的另一端的单第三偏置磁体膜(例如公共偏置磁体膜、偏置磁体膜313)，该第三偏置磁体膜施加取向在该第三方向的偏置磁场到第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件。
此外，磁传感器310包括：
形成在衬底310a上从而接触第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件316)的端部的第一偏置磁体膜(例如偏置磁体膜313)，该第一偏置磁体膜施加取向在基本垂直于第一方向(例如负X轴方向)的第三方向(例如正Y轴方向)的偏置磁场到第一巨磁致电阻元件；
形成在衬底310a上从而接触第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件319)的端部的第二偏置磁体膜(例如偏置磁体膜315)，该第二偏置磁体膜施加取向在该第三方向的偏置磁场到第二巨磁致电阻元件；以及
形成在衬底310a上从而接触第一巨磁致电阻元件的另一端和第二巨磁致电阻元件的另一端的单第三偏置磁体膜(例如公共偏置磁体膜、偏置磁体膜312)，该第三偏置磁体膜施加取向在该第三方向的偏置磁场到第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件。
如上所述，磁传感器310的X轴磁传感器311或者Y轴磁传感器321中，单偏置磁体膜(偏置磁体膜312到315的任一个)取代分别被第一巨磁致电阻元件的一端和第二巨磁致电阻元件的一端所需要的两个偏置磁体膜。因此，第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件可彼此更接近地设置。此外，因为接触单(公共)偏置磁体膜的两个元件彼此电连接，不需要导线用于连接此两个元件。
注意，磁传感器310(例如X轴磁传感器311)中，第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件316)和第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件318)的窄条形部分从公共偏置磁体膜(第三偏置磁体膜、偏置磁体膜313)向基本垂直于该第一方向的相同方向(本情况中为负Y轴方向)延伸。
另外，磁传感器310(例如X轴磁传感器311)中，第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件316)和第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件319)两个元件的窄条形部分在基本垂直于该第一方向的方向上(正Y轴方向)沿一直线延伸。另外，第三偏置磁体膜(偏置磁体膜312)设置在第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件316)和第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件319)之间。也在该示例中，单偏置磁体膜(第三偏置磁体膜312)取代通常在传统磁传感器中需要的两个偏置磁体膜。因此，磁传感器310可以更小。
上面的实施例中，磁传感器310的第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)形成在衬底310a的上表面上，第二巨磁致电阻元件(SAF元件)形成在绝缘层INS的上表面上。然而，两种巨磁致电阻元件的任何一个可以设置在衬底310a的上表面上。例如，在图81到83所示的X轴磁传感器311中，传统GMR元件316和317可以由SAF元件取代同时SAF元件318和319由传统GMR元件取代。
根据本实施例的磁传感器310中，因为形成单全桥电路的巨磁致电阻元件316到319设置在衬底310a上小区域中，应力(例如张应力或者压应力)几乎一致地置于这些元件上。因此，由于巨磁致电阻元件的电阻均匀地增加或减小，可减小桥电路失去平衡地可能性。因此，磁传感器310能准确地探测外磁场，即使应力置于巨磁致电阻元件上。
第十实施例
现在将描述根据本发明第十实施例的磁传感器。第十实施例的磁传感器在下面的两点与第九实施例的磁传感器310不同：
磁传感器310的X轴磁传感器311被图92所示的X轴磁传感器341所取代；以及
磁传感器310的Y轴磁传感器321被与在平面图中逆时针旋转90°的X轴磁传感器341相同类型的磁传感器所取代。
因此，下面的描述将说明X轴磁传感器341。
X轴磁传感器341探测外磁场在X轴方向上的分量。X轴磁传感器341包括12个偏置磁体膜342a到3421、一对传统GMR元件343和344、以及一对SAF元件345和346。
偏置磁体膜342a到3421每个具有梯形横截面，与根据第九实施例的偏置磁体膜312到315中一样。偏置磁体膜342a到3421与偏置磁体膜312到315由相同的材料制成，且作为极化在正Y轴方向的永磁体膜。两个偏置磁体膜342a和342g每个具有彼此相同的T形。其它的偏置磁体膜每个具有彼此相同的矩形形状。偏置磁体膜342a到3421的上表面位于相同的平面中。
偏置磁体膜342a设置在衬底310a的X轴方向上的正缘附近且在衬底310a的Y轴方向上的中间。设置偏置磁体膜342g为在负X轴方向距偏置磁体膜342a第三距离处。四个偏置磁体膜342c、342e、342i、以及342k设置在这两个偏置磁体膜342a和342g之间。
偏置磁体膜342c位于沿负X轴方向距偏置磁体膜342a一短距离处。偏置磁体膜342e位于沿负X轴方向离偏置磁体膜342c一短距离处且在沿X轴方向离偏置磁体膜342g一短距离处。偏置磁体膜342c和342e的Y轴方向的正缘与偏置磁体膜342a和342g的Y轴方向的正缘对齐。
偏置磁体膜342b设置于沿正Y轴方向离偏置磁体膜342a第一距离处，从而对着偏置磁体膜342a和342c。偏置磁体膜342d设置于沿负X轴方向离偏置磁体膜342b一短距离处从而对着偏置磁体膜342c和342e。偏置磁体膜342f设置于沿负X轴方向离偏置磁体膜342d一短距离处从而对着偏置磁体膜342e和342g。偏置磁体膜342b、342d、以及342f在Y轴方向的负缘对齐在一条直线中。
偏置磁体膜342k设置于在负X轴方向离偏置磁体膜342a一短距离处。偏置磁体膜342i设置于在负X轴方向离偏置磁体膜342k一短距离处且在正X轴方向离偏置磁体膜342g一短距离。偏置磁体膜342i和342k的负Y轴方向的边缘与偏置磁体膜342a和342g的负Y轴方向的边缘对齐。
偏置磁体膜342h设置于在负Y轴方向离偏置磁体膜342g第一距离处，从而对着偏置磁体膜342g和342i。偏置磁体膜342j设置于在正X轴方向离偏置磁体膜342h一短距离处从而对着偏置磁体膜342i和342k。偏置磁体膜3421设置于在正X轴方向离偏置磁体膜342j一短距离处从而对着偏置磁体膜342k和342a。偏置磁体膜342h、342j、以及3421在Y轴方向的正缘对齐在一条直线中。
传统GMR元件343由三个传统GMR元件膜343a到343c形成。这些元件膜343a到343c每个在平面图中具有窄条形且在Y轴方向延伸，如图92所示。元件膜343a到343c的中间部分每个与衬底310a的上表面接触，与第九实施例的传统GMR元件316中一样。
元件膜343a的一端与偏置磁体膜342a的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342b的斜面接触。元件膜343b的一端与偏置磁体膜342b的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342c的斜面接触。元件膜343c的一端与偏置磁体膜342c的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342d的斜面接触。因此，传统GMR元件343的电阻等于元件膜343a到343c的电阻的总和。
传统GMR元件344由三个传统GMR元件膜344a到344c形成。这些元件膜344a到344c每个在平面图中具有窄条形且在Y轴方向延伸，如图92所示。元件膜344a到344c的中间部分与衬底310a的上表面接触，同第九实施例的传统GMR元件316中一样。
元件膜344a的一端与偏置磁体膜342g的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342h的斜面接触。元件膜344b的一端与偏置磁体膜342h的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342i的斜面接触。元件膜344c的一端与偏置磁体膜342i的斜面接触且另一端与偏置磁体膜342j的斜面接触。因此，传统GMR元件344的电阻等于元件膜344a到344c的电阻的总和。
SAF元件345包括三个SAF元件膜345a到345c。这些元件膜345a到345c每个在平面图中具有在Y轴方向延伸的窄条形部分，如图92所示。元件膜345a到345c每个设置在绝缘层的上表面上，象第九实施例的SAF元件318中一样。该绝缘层在衬底310a上使得该绝缘层与偏置磁体膜342a到3421的上表面位于相同平面内。
元件膜345a的一端具有稍微小于偏置磁体膜342g的T形且形成在偏置磁体膜342g的上表面上。元件膜345a的另一端具有比偏置磁体膜342f稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜342f的上表面上。元件膜345a的该另一端在偏置磁体膜342f的上表面上连接到元件膜345b的一端。元件膜345b的另一端具有比偏置磁体膜342e稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜342e的上表面上。元件膜345b的该另一端在偏置磁体膜342e的上表面上连接到元件膜345c的一端。元件膜345c的另一端具有比偏置磁体膜342d稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜342d的上表面上。因此，SAF元件345的电阻等于元件膜345a到345c的电阻的总和。
SAF元件346包括三个SAF元件膜346a到346c。元件膜346a到346c每个在平面图中具有在Y轴方向延伸的窄条形部分，如图92所示。元件膜346a到346c每个设置在绝缘层的上表面上，象第九实施例的SAF元件318中一样。
元件膜346a的一端具有比偏置磁体膜342a稍小的T形且形成在偏置磁体膜342a的上表面上。元件膜346a的另一端具有比偏置磁体膜3421稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜3421的上表面上。元件膜346a的该另一端在偏置磁体膜3421的上表面上连接到元件膜346b的一端。元件膜346b的另一端具有比偏置磁体膜342k稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜342k的上表面上。元件膜346b的该另一端在偏置磁体膜342k的上表面上连接到元件膜346c的一端。元件膜346c的另一端具有比偏置磁体膜342j稍小的矩形形状且形成在偏置磁体膜342j的上表面上。因此，SAF元件346的电阻等于元件膜346a到346c的电阻的总和。
具有上述结构的X轴磁传感器341具有图84A的等效电路(与磁传感器310的全桥电路相同)中所示的全桥电路。
X轴磁传感器341中，传统GMR元件343的元件膜343a和SAF元件346的元件膜346a接收来自同一(单公共)偏置磁体膜342a的偏置磁场。传统GMR元件343的元件膜343c和SAF元件345的元件膜345c接收来自同一(单公共)偏置磁体膜342d的偏置磁场。SAF元件345的元件膜345a和传统GMR元件344的元件膜344a接收来自同一(单公共)偏置磁体膜342g的偏置磁场。传统GMR元件344的元件膜344c和SAF元件346的元件膜346c接收来自同一(单公共)偏置磁体膜342j的偏置磁场。
因此，X轴磁传感器341中，单偏置磁体膜取代了通常在传统磁传感器中需要的两个偏置磁体膜，从而传统GMR元件和SAF元件更接近地设置，如磁传感器310中一样。从而，X轴磁传感器和Y轴磁传感器可以小型化，因此第十实施例的磁传感器341可以小型化。
第十一实施例
现在将描述根据本发明第十一实施例的磁传感器。第十一实施例的磁传感器在下面两点不同于第九实施例的磁传感器310：
磁传感器310的X轴磁传感器311被图93所示的X轴磁传感器351所取代；以及
磁传感器310的Y轴磁传感器321被与在平面图中逆时针旋转90°的X轴磁传感器351相同类型的磁传感器所取代。
因此，下面的描述将说明X轴磁传感器351。
X轴磁传感器351探测外磁场在X轴方向上的分量。X轴磁传感器351包括12个偏置磁体膜352a到3521、SAF元件353和355、以及传统GMR元件354和356。
偏置磁体膜352a到3521每个具有梯形横截面，如根据第九实施例的磁传感器的偏置磁体膜312到315中一样。偏置磁体膜352a到3521与偏置磁体膜312到315由相同的材料制成，且作为极化在正Y轴方向的永磁体膜。两个偏置磁体膜352a和352g每个具有彼此相同的矩形形状，且其它的偏置磁体膜具有彼此相同的矩形形状。偏置磁体膜352a到3521设置在图93所示的位置中。偏置磁体膜352a到3521的上表面位于相同平面中。
SAF元件353包括三个SAF元件膜353a到353c。元件膜353a到353c每个在平面图中具有窄条形部分，如图93所示。两个元件膜353a和353c在相对于正Y轴方向倾斜一小角度θ(θ＞0)的方向上延伸。元件膜353b的窄条形部分在相对于正Y轴方向倾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜353a到353c的邻接它们各自的间隔层S的第一磁层P1的每个磁化被固定在负X轴方向；因此，膜353a到353c的磁场探测方向的每个是在正X轴方向。
元件膜353a的一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352a的基本整个上表面接触。元件膜353a的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352b的基本整个上表面接触。元件膜353b的一端在偏置磁体膜352b的上表面上连接到元件膜353a。元件膜353b的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352f的基本整个上表面接触。元件膜353c的一端在偏置磁体膜352f的上表面上连接到元件膜353b。元件膜353c的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352d的基本整个上表面接触。
传统GMR元件354由三个传统GMR元件膜354a到354c形成。元件膜354a到354c每个在平面图中具有窄条形，如图93所示。元件膜354a在Y轴方向上延伸；元件膜354b在相对于正Y轴方向倾斜一小角度-θ的方向上延伸；元件膜354c在相对于正Y轴方向倾斜一小角度θ的方向上延伸。元件膜354a到354c的邻接它们各自的间隔层S的磁层P(固定磁化层P)的每个磁化被固定在正X轴方向；因此，元件膜354a到354c的磁场探测方向的每个在负X轴方向。
传统GMR元件膜354a到354c形成为与衬底310a的上表面接触，象第九实施例的传统GMR元件316中一样。元件膜354a的一端与偏置磁体膜352e的斜面接触且另一端接触偏置磁体膜352d的斜面。元件膜354b的一端与偏置磁体膜352e的斜面接触且另一端接触偏置磁体膜352c的斜面。元件膜354c的一端与偏置磁体膜352c的斜面接触且另一端接触偏置磁体膜352g的斜面。
SAF元件353的元件膜353a到353c每个形成在覆盖衬底310a和传统GMR元件354的绝缘层INS的上表面上，如第九实施例的SAF元件318一样。因此，元件膜353b布设在元件膜354c上从而与元件膜354c交叉，其间有绝缘层INS，如图94所示，图94是沿图93的4-4线截取的X轴磁传感器351的剖视图。另外，元件膜353c布设在元件膜354b之上从而与元件膜354b交叉，其间有绝缘层INS。
SAF元件355包括三个SAF元件膜355a到355c。元件膜355a到355c每个在平面图中具有窄条形部分，如图93所示。元件膜355a的窄条形部分延伸在Y轴方向上；元件膜355b的窄条形部分在相对于正Y轴方向倾斜一小角度θ的方向上延伸；元件膜355c的窄条形部分在相对于正Y轴方向倾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜355a到355c的邻接它们各自的间隔层S的第一磁层P1的每个磁化被固定在负X轴方向；因此，元件膜355a到355c的磁场探测方向的每个是在正X轴方向。
元件膜355a的一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352j的基本整个上表面接触。元件膜355a的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352i的基本整个上表面接触。元件膜355b的一端在偏置磁体膜352i的上表面上连接到元件膜355a，且元件膜355b的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352k的基本整个上表面接触。元件膜355c的一端在偏置磁体膜352k的上表面上连接到元件膜355b。元件膜355c的另一端具有矩形形状且与偏置磁体膜352g的基本整个上表面接触。
传统GMR元件356由三个传统GMR元件膜356a到356c形成。元件膜356a到356c每个在平面图中具有窄条形，如图93所示。元件膜356a在相对于正Y轴方向倾斜一小角度-θ的方向上延伸；元件膜356b在相对于正Y轴方向倾斜一小角度θ的方向上延伸；元件膜356c在相对于正Y轴方向倾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜356a到356c的邻接它们各自的间隔层S的磁层P(固定磁化层P)的每个磁化被固定在正X轴方向；因此，元件膜356a到356c的磁场探测方向的每个在负X轴方向。
传统GMR元件膜356a到356c形成为与衬底310a的上表面接触，象第九实施例的传统GMR元件316中一样。元件膜356a的一端与偏置磁体膜352a的斜面接触，且另一端接触偏置磁体膜3521的斜面。元件膜356b的一端与偏置磁体膜3521的斜面接触，且另一端接触偏置磁体膜352h的斜面。元件膜356c的一端与偏置磁体膜352h的斜面接触，且另一端接触偏置磁体膜352j的斜面。
SAF元件355的元件膜355a到355c每个形成在覆盖衬底310a和传统GMR元件356的绝缘层INS的上表面上，如第九实施例的SAF元件318一样。因此，元件膜355b布设在元件膜356c上从而与元件膜356c交叉，其间有绝缘层INS。另外，元件膜355c布设在元件膜356b上从而与元件膜356b交叉，其间有绝缘层INS。
具有上述结构的X轴磁传感器351中，其磁场探测方向是负X轴方向的一对传统GMR元件354和356以及其磁场探测方向是正X轴方向的一对SAF元件353和355以全桥构造连接，如图95中的等效电路所示。第一电势+Vd施加到偏置磁体膜352a。偏置磁体膜352g接地从而第二电势(0V)施加到该膜352g。从偏置磁体膜352d取出电势Vout1，偏置磁体膜352d是SAF元件353连接到传统GMR元件354的连接点，从偏置磁体膜352j取出电势Vout2，偏置磁体膜352j是SAF元件355连接到传统GMR元件356的连接点。电势Vout1和电势Vout2之间的差作为X轴磁传感器351的输出Vox被得到。
如上所述，根据本发明第十一实施例的磁传感器包括：
形成在衬底310a上从而与第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件356的元件膜356a)的一端接触且向该第一巨磁致电阻元件施加取向在基本垂直于第一方向(例如负X轴方向)的第三方向(例如正Y轴方向)上的偏置磁场的第一偏置磁体膜(例如偏置磁体膜3521)；
形成在衬底310a上从而与第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件353的元件膜353a)的一端接触且向该第二巨磁致电阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁场的第二偏置磁体膜(例如偏置磁体膜352b)；及
形成在衬底310a上从而与第一矩此致电阻元件的另一端和第二巨磁致电阻元件的另一端接触且向该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁场的第三偏置磁体膜(例如偏置磁体膜352a，其是单公共偏置磁体膜)。
此外，根据第十一实施例的磁传感器包括：
形成在衬底310a上从而与第一巨磁致电阻元件(例如传统GMR元件354的元件膜354a)的一端接触且向该第一巨磁致电阻元件施加取向在基本垂直于第一方向(例如负X轴方向)的第三方向(例如正Y轴方向)上的偏置磁场的第一偏置磁体膜(例如偏置磁体膜352e)；
形成在衬底310a上从而与第二巨磁致电阻元件(例如SAF元件353的元件膜353c)的一端接触且向该第二巨磁致电阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁场的第二偏置磁体膜(例如偏置磁体膜352f)；及
形成在衬底310a上从而与第一巨磁致电阻元件的另一端和第二巨磁致电阻元件的另一端接触且向该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁场的第三偏置磁体膜(例如偏置磁体膜352d，其是单公共偏置磁体膜)。
另外，偏置磁体膜352j和352g也作为公共偏置磁体膜(即第三偏置磁体膜)。
根据第十一实施例的磁传感器中，和磁传感器310中一样，单偏置磁体膜(偏置磁体膜352a、352d、352j、以及352g中任一个)取代两个偏置磁体膜，其中之一是第一巨磁致电阻元件的一端所需要的，且其中的另一个是第二巨磁致电阻元件的一端所需要的。因此，该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件可以彼此更接近地设置。
根据第十一实施例的磁传感器中，第一巨磁致电阻元件的每个(例如传统GMR元件354的元件膜354b)形成为与衬底310a的上表面接触，且当从上面观察时第二巨磁致电阻元件的每个(例如SAF元件353的元件膜353c)具有与第一巨磁致电阻元件的交叉。该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件通过绝缘层INS分隔开。
当从上面观察时(平面图中)，该结构允许第一巨磁致电阻元件在衬底之上交叉第二巨磁致电阻元件。因此，该第一巨磁致电阻元件和第二巨磁致电阻元件可更接近地设置。
尽管在第十一实施例的磁传感器中，第一巨磁致电阻元件(传统GMR元件)形成在衬底310a的上表面上且第二巨磁致电阻元件(SAF元件)形成在绝缘层INS的上表面上，但是所述巨磁致电阻元件的任一都可形成在衬底310a的上表面上。例如，在如图93所示的X轴磁传感器351中，传统GMR元件354和356可被SAF元件取代同时SAF元件353和355可被传统GMR元件所取代。
根据上面公开的实施例的任何磁传感器是小的且其输出受置于元件上的应力的影响尽可能地小。本发明不局限于公开的实施例，可以进行各种修改。例如，本发明的磁传感器可以是垂直双向磁传感器，如在某些实施例中描述的，或者是仅由X轴或者Y轴磁传感器定义的单向磁传感器。

Claims (29)

1.一种磁传感器，包括：
单衬底；
设置在所述衬底上的第一巨磁致电阻元件，所述第一巨磁致电阻元件由单层被钉扎自旋阀膜形成，所述单层被钉扎自旋阀膜包括：
单层被钉扎固定磁化层，其包括单铁磁层和钉扎层，
自由层，其磁化方向响应于外磁场而改变，以及
间隔层，其由非磁导电材料制成，设置在所述铁磁层和所述自由层之间，
其中所述铁磁层的磁化通过所述钉扎层固定在第一方向，从而所述铁磁层作为被钉扎层；以及
设置在所述衬底上的第二巨磁致电阻元件，所述第二巨磁致电阻元件由多层被钉扎自旋阀膜形成，所述多层被钉扎自旋阀膜包括：
多层被钉扎固定磁化层，其包括第一铁磁层、邻接所述第一铁磁层的交换耦合层、邻接所述交换耦合层的第二铁磁层以及邻接所述第二铁磁层的钉扎层，
自由层，其磁化方向影响于外磁场而改变，以及
间隔层，其由非磁导电材料制成，设置在所述第一铁磁层和所述自由层之间，
其中所述第二铁磁层的磁化方向通过所述钉扎层固定，且所述第一铁磁层的磁化方向通过其间具有所述交换耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的交换耦合固定在与所述第一方向反平行的第二方向，从而所述第一铁磁层作为被钉扎层。
2.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件以桥构造连接来形成电路，所述电路产生输出，所述输出随着施加到所述磁传感器的磁场在所述第一方向的分量的强度增加而单调地增加或减小。
3.如权利要求1所述的磁传感器，包括所述第一巨磁致电阻元件的两个和所述第二巨磁致电阻元件的两个，
其中所述两个第一巨磁致电阻元件中的一个的一端连接到所述两个第二巨磁致电阻元件中的一个的一端从而形成第一子电路，且所述另一个第一巨磁致电阻元件的一端连接到所述另一个第二巨磁致电阻元件的一端从而形成第二子电路，
其中第一电势施加到所述第一子电路中的所述第一巨磁致电阻元件的另一端和所述第二子电路中的所述第二巨磁致电阻元件的另一端，且不同于所述第一电势的第二电势施加到所述第一子电路中的所述第二巨磁致电阻元件的另一端和所述第二子电路中的所述第一巨磁致电阻元件的另一端，以及
其中所述磁传感器输出所述第一子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第二巨磁致电阻元件的连接点与所述第二子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第二巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。
4.如权利要求1所述的磁传感器，还包括所述衬底上由单层被钉扎自旋阀膜形成的第三巨磁致电阻元件以及所述衬底上由多层被钉扎自旋阀膜形成的第四巨磁致电阻元件，其中所述第三巨磁致电阻元件中的铁磁层的磁化被固定在垂直于所述第一方向的第三方向，且所述第四巨磁致电阻元件中的第一铁磁层的磁化被固定在反平行于所述第三方向的第四方向。
5.如权利要求4所述的磁传感器，其中所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件以桥构造连接来形成电路，所述电路产生响应于所述电路中预定点的电势的第一输出，所述第一输出随着施加到所述磁传感器的磁场在所述第一方向的分量的强度增加而单调地增加或减小，并且其中所述第三巨磁致电阻元件和所述第四巨磁致电阻元件以桥构造连接来形成电路，所述电路产生响应于所述电路预定点的电势的第二输出，所述第二输出随着施加到所述磁传感器的磁场的在所述第三方向的分量的强度增加而单调地增加或减小。
6.如权利要求4所述的磁传感器，包括所述第一巨磁致电阻元件的两个、所述第二巨磁致电阻元件的两个、所述第三巨磁致电阻元件的两个以及所述第四巨磁致电阻元件的两个，
其中所述两个第一巨磁致电阻元件中的一个的一端连接到所述两个第二巨磁致电阻元件中的一个的一端从而形成第一子电路；另一个所述第一巨磁致电阻元件的一端连接到另一个所述第二巨磁致电阻元件的一端从而形成第二子电路；第一电势施加到所述第一子电路中所述第一巨磁致电阻元件的另一端和所述第二子电路中所述第二巨磁致电阻元件的另一端；并且不同于所述第一电势的第二电势施加到所述第一子电路中所述第二巨磁致电阻元件的另一端和所述第二子电路中所述第一巨磁致电阻元件的另一端，
其中所述两个第三巨磁致电阻元件中的一个的一端连接到所述两个第四巨磁致电阻元件中的一个的一端从而形成第三子电路；另一个所述第三巨磁致电阻元件的一端连接到另一个所述第四巨磁致电阻元件的一端从而形成第四子电路；第三电势施加到所述第三子电路中所述第三巨磁致电阻元件的另一端和所述第四子电路中所述第四巨磁致电阻元件的另一端；并且不同于所述第三电势的第四电势施加到所述第三子电路中所述第四巨磁致电阻元件的另一端和所述第四子电路中所述第三巨磁致电阻元件的另一端，
由此所述磁传感器被配置从而产生第一输出和第二输出，所述第一输出是所述第一子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第二巨磁致电阻元件的连接点与所述第二子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第二巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差，所述第二输出是所述第三子电路中所述第三巨磁致电阻元件连接到所述第四巨磁致电阻元件的连接点与所述第四子电路中所述第三巨磁致电阻元件连接到所述第四巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。
7.如权利要求1所述的磁传感器，包括：
所述第一巨磁致电阻元件的两个；
所述第二巨磁致电阻元件的两个；
第五巨磁致电阻元件的两个，每个在所述衬底上由所述单层被钉扎自旋阀膜形成，每个第五巨磁致电阻元件中铁磁层的磁化被固定在所述第二方向；以及
两个第六巨磁致电阻元件，每个在所述衬底上由所述多层被钉扎自旋阀膜形成，每个第六巨磁致电阻元件中第一铁磁层的磁化被固定在所述第一方向，
其中所述第一巨磁致电阻元件的所述两个和所述第二巨磁致电阻元件的所述两个彼此接近地设置在第一区域中；所述第五巨磁致电阻元件的所述两个和所述第六巨磁致电阻元件的所述两个彼此接近地设置在远离所述第一区域的第二区域中；
其中所述第一巨磁致电阻元件的所述两个中的一个的一端连接到所述第五巨磁致电阻元件的所述两个中的一个的一端从而形成第五子电路；另一个所述第一巨磁致电阻元件的一端连接到另一个所述第五巨磁致电阻元件的一端从而形成第六子电路；第一电势施加到所述第五子电路的所述第一巨磁致电阻元件的另一端和所述第六子电路的所述第五巨磁致电阻元件的另一端；不同于所述第一电势的第二电势施加到所述第五子电路的所述第五巨磁致电阻元件的另一端和所述第六子电路的所述第一巨磁致电阻元件的另一端；以及
其中所述第二巨磁致电阻元件的所述两个的一个的一端连接到所述第六巨磁致电阻元件的所述两个中的一个的一端从而形成第七子电路；另一个所述第二巨磁致电阻元件的一端连接到另一个所述第六巨磁致电阻元件的一端从而形成第八子电路；第三电势施加到所述第七子电路的所述第二巨磁致电阻元件的另一端和所述第八子电路的所述第六巨磁致电阻元件的另一端；不同于所述第三电势的第四电势施加到所述第七子电路的所述第六巨磁致电阻元件的另一端和所述第八子电路的所述第二巨磁致电阻元件的另一端，
由此所述磁传感器被配置从而产生响应于传统GMR元件输出和SAF元件输出的输出，所述传统GMR元件输出是所述第五子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第五巨磁致电阻元件的连接点与所述第六子电路中所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第五巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差，所述SAF元件输出是所述第七子电路中所述第二巨磁致电阻元件连接到所述第六巨磁致电阻元件的连接点与所述第八子电路中所述第二巨磁致电阻元件连接到所述第六巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。
8.如权利要求1所述的磁传感器，包括多个所述第一巨磁致电阻元件和与所述第一巨磁致电阻元件的数目相同的数目的第二巨磁致电阻元件；其中
所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件彼此平行设置且在所述衬底的预定方向上彼此交替排列；所述第一巨磁致电阻元件串联连接从而形成一巨磁致电阻元件；且所述第二巨磁致电阻元件串联连接从而形成另一巨磁致电阻元件。
9.如权利要求1所述的磁传感器，包括所述第一巨磁致电阻元件的四个和所述第二巨磁致电阻元件的四个；其中
所述第一巨磁致电阻元件的两个彼此相邻设置从而形成第一组且所述第一巨磁致电阻元件的另外两个彼此相邻设置从而形成第二组；
所述第二巨磁致电阻元件的两个彼此相邻设置从而形成第三组且所述第二巨磁致电阻元件的另外两个彼此相邻设置从而形成第四组；
所述第一到第四组按如下顺序在所述衬底上沿预定方向平行排列：所述第一组、所述第三组、所述第二组以及所述第四组，或者所述第三组、所述第一组、所述第四组以及所述第二组，并且其中所述第一组的所述第一巨磁致电阻元件的一个串联连接到所述第二组的所述第一巨磁致电阻元件的一个从而形成由第一巨磁致电阻元件组成的元件，并且所述第一组的另一个所述第一巨磁致电阻元件串联连接到所述第二组的另一个所述第一巨磁致电阻元件从而形成由第一巨磁致电阻元件组成的元件；所述第三组的所述第二巨磁致电阻元件的一个串联连接到所述第四组的所述第二巨磁致电阻元件的一个从而形成由第二巨磁致电阻元件组成的元件，并且所述第三组的另一个所述第二巨磁致电阻元件串联连接到所述第四组的另一个所述第二巨磁致电阻元件从而形成由第二巨磁致电阻元件组成的元件。
10.一种用于制造磁传感器的方法，所述磁传感器包括：单衬底；设置在所述衬底上且由单层被钉扎自旋阀膜形成的第一巨磁致电阻元件，所述单层被钉扎自旋阀膜包括：包括钉扎层和单铁磁层的单层被钉扎固定磁化层；其磁化方向响应于外磁场而变化的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述铁磁层和所述自由层之间的间隔层，其中所述铁磁层的磁化通过钉扎层固定在第一方向上，从而所述铁磁层作为被钉扎层；以及设置在所述衬底上且由多层被钉扎自旋阀膜形成的第二巨磁致电阻元件，所述多层被钉扎自旋阀膜包括：多层被钉扎固定磁化层，该多层被钉扎固定磁化层包括第一铁磁层、邻接所述第一铁磁层的交换耦合层、邻接所述交换耦合层的第二铁磁层以及邻接所述第二铁磁层的钉扎层；其磁化方向响应于外磁场而改变的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述第一铁磁层与所述自由层之间的间隔层，其中所述第二铁磁层的磁化方向通过钉扎层固定且所述第一铁磁层的磁化方向通过其间具有所述交换耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的交换耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向上，从而所述第一铁磁层作为被钉扎层，所述方法包括：
在所述衬底上形成要作为所述第一巨磁致电阻元件的膜和要作为所述第二巨磁致电阻元件的膜的膜形成步骤；以及
在高温对形成在所述衬底上的所述膜施加取向在单方向上的磁场从而固定每个被钉扎层的所述磁化方向的磁场热处理步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述磁场热处理步骤使用从包括多个矩形的实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，每个所述永磁体具有垂直于所述永磁体的每个的中心轴的正方形的端表面，所述永磁体以小间距以这样的方式排列：所述端表面的重心对应于四方格子的格点，且呈现在所述永磁体的任一个的所述正方形表面上的极性与呈现在被间隔开的其它相邻永磁体的所述正方形表面上的极性相反。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述膜形成步骤包括子步骤：
在所述衬底上形成将成为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件中之一的第一复合层；
除去所述第一复合层的不必要区域；
除去所述不必要区域之后用绝缘层涂敷所述第一复合层；
在所述衬底上及在所述绝缘层上形成将成为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件中另一膜的第二复合层；以及
除去所述第二复合层的不必要区域。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述膜形成步骤包括子步骤：
在所述衬底上以所列顺序形成要作为所述钉扎层、所述第二巨磁致电阻元件的所述第二铁磁层和所述交换耦合层从而形成第一预复合层；
从具有所述第一巨磁致电阻元件的区域完全除去所述第一预复合层的要作为所述交换耦合层的层，而没有从具有所述第二巨磁致电阻元件的区域中除去所述第一预复合层；以及
除去要作为所述交换耦合层的层的步骤之后，在层的整个上表面上，以所列顺序，形成与要作为所述第二铁磁层的层具有相同成分的铁磁层、及然后的要作为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件的所述间隔层和所述自由层的层。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述膜形成步骤包括子步骤：
在所述衬底上以所列顺序形成要作为所述第一和第二巨磁致电阻元件的自由层的层、要作为所述第一和第二巨磁致电阻元件的间隔层的层、要作为所述第二巨磁致电阻元件的第一铁磁层的层、要作为所述第二巨磁致电阻元件的交换耦合层的层，从而形成第二预复合层；
从具有所述第一巨磁致电阻元件的区域完全除去所述第二预复合层的要作为所述交换耦合层的层，而没有从具有所述第二巨磁致电阻元件的区域中除去所述第二预复合层；以及
除去要作为所述交换耦合层的层的步骤之后，在层的整个上表面上，以所列顺序形成与要作为所述第一铁磁层的层具有相同成分的铁磁层、以及要作为所述第一和第二巨磁致电阻元件的所述钉扎层的层。
15.一种磁传感器，包括：
单衬底；
设置在所述衬底上的第一巨磁致电阻元件，所述第一巨磁致电阻元件由单层被钉扎自旋阀膜形成，所述单层被钉扎自旋阀膜包括
包括单铁磁层和钉扎层的单层被钉扎固定磁化层，
其磁化方向响应于外磁场而改变的自由层，以及
由非磁导电材料制成且设置在所述铁磁层和所述自由层之间的间隔层，
其中所述铁磁层的磁化通过所述钉扎层固定在第一方向，从而所述铁磁层作为被钉扎层；以及
第二巨磁致电阻元件，其在所述衬底上设置为位于所述第一巨磁致电阻元件之上或之下，所述第二巨磁致电阻元件由多层被钉扎自旋阀膜形成，所述多层被钉扎自旋阀膜包括：
多层被钉扎固定磁化层，其包括第一铁磁层、邻接所述第一铁磁层的交换耦合层、邻接所述交换耦合层的第二铁磁层以及邻接所述第二铁磁层的钉扎层，
自由层，其磁化方向响应于外磁场而改变，以及
间隔层，其由非磁导电材料制成且设置在所述第一铁磁层和所述自由层之间，
其中所述第二铁磁层的磁化方向通过所述钉扎层被固定且所述第一铁磁层的磁化方向通过其间具有交换耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的交换耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向，
从而所述第一铁磁层作为被钉扎层。
16.如权利要求15所述的磁传感器，还包括设置在所述衬底上的由所述单层被钉扎自旋阀膜形成的第三巨磁致电阻元件以及设置在所述衬底上从而位于所述第三巨磁致电阻元件之上或之下的由所述多层被钉扎自旋阀膜形成的第四巨磁致电阻元件，其中所述第三巨磁致电阻元件中的铁磁层的磁化被固定在垂直于所述第一方向的第三方向上，且所述第四巨磁致电阻元件中第一铁磁层的磁化被固定在反平行于所述第三方向的第四方向上。
17.一种用于制造磁传感器的方法，所述磁传感器包括：单衬底；设置在所述衬底上且由单层被钉扎自旋阀膜形成的第一巨磁致电阻元件，所述单层被钉扎自旋阀膜包括：包括钉扎层和单铁磁层的单层被钉扎固定磁化层；其磁场方向响应于外磁场而变化的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述铁磁层和所述自由层之间的间隔层，其中所述铁磁层的磁化通过钉扎层固定在第一方向，从而所述铁磁层作为被钉扎层；以及设置在所述衬底上从而位于所述第一巨磁致电阻元件之上或之下且由多层被钉扎自旋阀膜形成的第二巨磁致电阻元件，所述多层被钉扎自旋阀膜包括：多层被钉扎固定磁化层，该多层被钉扎固定磁化层包括第一铁磁层、邻接所述第一铁磁层的交换耦合层、邻接所述交换耦合层的第二铁磁层以及邻接所述第二铁磁层的钉扎层；其磁化方向响应于外磁场而改变的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述第一铁磁层和所述自由层之间的间隔层，其中所述第二铁磁层的磁化方向通过所述钉扎层固定，且所述第一铁磁层的磁化方向通过其间具有所述交换耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的交换耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向，从而所述第一铁磁层作为被钉扎层，所述方法包括：
膜形成步骤：在所述衬底上形成要作为所述第一巨磁致电阻元件的膜和要作为所述第二巨磁致电阻元件的膜从而所述膜之一覆盖另一膜；以及
磁场热处理步骤：在高温施加取向在单方向上的磁场到所述膜从而固定每个被钉扎层的所述磁化方向。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述磁场热处理步骤使用从包括多个矩形的实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，所述永磁体每个具有垂直于所述永磁体的每个的中心轴的正方形的端表面，所述永磁体以这样的方式以小间距排列：所述端表面的重心对应于四方格子的格点，且呈现在所述永磁体的任意一个的所述正方形表面上的极性与呈现在被间隔开的另一相邻永磁体的正方形表面上的极性相反。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述膜形成步骤包括子步骤：
在所述衬底上形成将成为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件之一的第一复合层；
除去所述第一复合层的不必要区域；
除去所述不必要区域之后用绝缘层涂敷所述第一复合层；
在所述绝缘层上形成将成为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件中另一膜的第二复合层；以及
除去所述第二复合层的不必要区域。
20.如权利要求15所述的磁传感器，还包括：
由所述单层被钉扎自旋阀膜形成的第三巨磁致电阻元件，所述第三巨磁致电阻元件的铁磁层的磁化被固定在所述第一方向；
在所述衬底上位于所述第三巨磁致电阻元件之上或之下的由所述多层被钉扎自旋阀膜形成的第四巨磁致电阻元件，所述第四巨磁致电阻元件的第一铁磁层的磁化被固定在所述第二方向；
由所述单层被钉扎自旋阀膜形成的第五巨磁致电阻元件，所述第五巨磁致电阻元件的铁磁层的磁化被固定在所述第二方向；
在所述衬底上位于所述第五巨磁致电阻元件之上或之下的由所述多层被钉扎自旋阀膜形成的第六巨磁致电阻元件，所述第六巨磁致电阻元件的第一铁磁层的磁化被固定在所述第一方向；
由所述单层被钉扎自旋阀膜形成的第七巨磁致电阻元件，所述第七巨磁致电阻元件的铁磁层的磁化被固定在所述第二方向；以及
在所述衬底上位于所述第七巨磁致电阻元件之上或之下的由所述多层被钉扎自旋阀膜形成的第八巨磁致电阻元件，所述第八巨磁致电阻元件的第一铁磁层的磁化被固定在所述第一方向；其中
由所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件形成的第十一元件组设置在所述衬底上第十一区域中；
由所述第三巨磁致电阻元件和所述第四巨磁致电阻元件形成的第十二元件组在所述第十一区域中设置为接近所述第十一元件组；
由所述第五巨磁致电阻元件和所述第六巨磁致电阻元件形成的第十三元件组设置在所述衬底上远离所述第十一区域的第十二区域中；
由所述第七巨磁致电阻元件和所述第八巨磁致电阻元件形成的第十四元件组在所述第十二区域中设置为接近所述第十三元件组；
所述第一巨磁致电阻元件的一端连接到所述第五巨磁致电阻元件的一端从而形成第一子电路；
所述第三巨磁致电阻元件的一端连接到所述第七巨磁致电阻元件的一端从而形成第二子电路；
第一电势施加到所述第一巨磁致电阻元件的另一端和所述第七巨磁致电阻元件的另一端，且不同于所述第一电势的第二电势施加到所述第三巨磁致电阻元件的另一端和所述第五巨磁致电阻元件的另一端；
所述第二巨磁致电阻元件的一端连接到所述第六巨磁致电阻元件的一端从而形成第三子电路；
所述第四巨磁致电阻元件的一端连接到所述第八巨磁致电阻元件的一端从而形成第四子电路；
第三电势施加到所述第二巨磁致电阻元件的另一端和所述第八巨磁致电阻元件的另一端，且不同于所述第三电势的第四电势施加到所述第四巨磁致电阻元件的另一端和所述第六巨磁致电阻元件的另一端，并且
所述磁传感器配置为产生响应于传统GMR元件输出和SAF元件输出的输出，所述传统GMR元件输出是所述第一巨磁致电阻元件连接到所述第五巨磁致电阻元件的连接点与所述第三巨磁致电阻元件连接到所述第七巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差，所述SAF元件输出是所述第二巨磁致电阻元件连接到所述第六巨磁致电阻元件的连接点与所述第四巨磁致电阻元件连接到所述第八巨磁致电阻元件的连接点之间的电势差。
21.一种磁传感器，包括：
单衬底；
设置在所述衬底上的第一巨磁致电阻元件，所述第一巨磁致电阻元件由单层被钉扎自旋阀膜形成，所述单层被钉扎自旋阀膜包括：包括钉扎层和单铁磁层的单层被钉扎固定磁化层；其磁化方向响应于外磁场而改变的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述铁磁层和所述自由层之间的间隔层，其中所述铁磁层的磁化通过所述钉扎层固定在第一方向，从而所述铁磁层作为被钉扎层；
设置在所述衬底上接近于所述第一巨磁致电阻元件的第二巨磁致电阻元件，所述第二巨磁致电阻元件由多层被钉扎自旋阀膜形成，所述多层被钉扎自旋阀膜包括：多层被钉扎固定磁化层，该多层被钉扎固定磁化层包括所述第一铁磁层、邻接所述第一铁磁层的交换耦合层、邻接所述交换耦合层的第二铁磁层以及邻接所述第二铁磁层的钉扎层；其磁化方向响应于外磁场而改变的自由层；以及由非磁导电材料制成且设置在所述第一铁磁层和所述自由层之间的间隔层，其中所述第二铁磁层的磁化方向通过所述钉扎层固定，且所述第一铁磁层的磁化方向通过其间具有交换耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的交换耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向上，从而所述第一铁磁层作为被钉扎层；
设置在所述衬底上从而与所述第一巨磁致电阻元件的一端接触的第一偏置磁体膜，所述第一偏置磁体膜向所述第一巨磁致电阻元件施加取向在垂直于所述第一方向的第三方向上的偏置磁场；
设置在所述衬底上从而与所述第二巨磁致电阻元件的一端接触的第二偏置磁体膜，所述第二偏置磁体膜向所述第二巨磁致电阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁场；
设置在所述衬底上从而与所述第一巨磁致电阻元件的另一端和所述第二巨磁致电阻元件的另一端都接触的第三偏置磁体膜，所述第三偏置磁体膜向所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁场。
22.如权利要求21所述的磁传感器，其中所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件每个具有从所述第三偏置磁体膜沿垂直于所述第一方向的相同方向延伸的窄条形部分。
23.如权利要求21所述的磁传感器，其中所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件每个具有窄条形部分，所述窄条形部分在垂直于所述第一方向的方向上沿一直线延伸，且所述第三偏置磁体膜设置在所述第一巨磁致电阻元件的所述窄条形部分和所述第二巨磁致电阻元件的所述窄条形部分之间。
24.如权利要求21所述的磁传感器，还包括绝缘层，其中当从上面观察时所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件彼此部分交叉，所述绝缘层在所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件之间。
25.如权利要求21所述的磁传感器，还包括绝缘层，其中
所述第一偏置磁体膜、所述第二偏置磁体膜以及所述第三偏置磁体膜的每个具有梯形截面，从而所述偏置磁体膜的每个具有相对于所述衬底的表面的斜面和与所述衬底的上表面平行的上表面；
所述第一巨磁致电阻元件的一端接触所述第一偏置磁体膜的所述斜面且所述第一巨磁致电阻元件的另一端接触所述第三偏置磁体膜的所述斜面；
所述第一巨磁致电阻元件的所述端之间的部分设置在所述衬底的所述上表面上；
所述第一巨磁致电阻元件覆盖以所述绝缘层从而所述绝缘层的上表面与所述第一到第三偏置磁体膜的上表面平齐；
所述第二巨磁致电阻元件的一端接触所述第二偏置磁体膜的所述上表面且所述第二巨磁致电阻元件的另一端接触所述第三偏置磁体膜的所述上表面；且
所述第二巨磁致电阻元件的所述端之间的部分设置在所述绝缘层的所述上表面上。
26.如权利要求21所述的磁传感器，还包括绝缘层，其中
所述第一偏置磁体膜、所述第二偏置磁体膜以及所述第三偏置磁体膜的每个具有梯形截面，从而所述偏置磁体膜的每个具有相对于所述衬底的表面的斜面和与所述衬底的上表面平行的上表面；
所述第二巨磁致电阻元件的一端接触所述第二偏置磁体膜的所述斜面且所述第二巨磁致电阻元件的另一端接触所述第三偏置磁体膜的所述斜面；
所述第二巨磁致电阻元件的所述端之间的部分设置在所述衬底的所述上表面上；
所述第二巨磁致电阻元件覆盖以所述绝缘层从而所述绝缘层的上表面与所述第一到第三偏置磁体膜的所述上表面平齐；
所述第一巨磁致电阻元件的一端接触所述第一偏置磁体膜的所述上表面且所述第一巨磁致电阻元件的另一端接触所述第三偏置磁体膜的所述上表面；且
所述第一巨磁致电阻元件的所述端之间的部分设置在所述绝缘层的所述上表面上。
27.一种用于制造如权利要求21所述的磁传感器的方法，所述方法包括步骤：
准备所述单衬底；
在所述衬底上形成要作为所述第一到第三偏置磁体膜的膜；
在所述衬底的上表面以及所述第一到第三偏置磁体膜的上表面上形成要作为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件之一的第一膜；
形成绝缘层从而覆盖所述要作为所述偏置磁体膜的膜和所述第一膜的上表面；
通过部分除去所述绝缘层、所述要作为所述偏置磁体膜的膜以及所述第一膜来平坦化所述绝缘层、所述要作为所述偏置磁体膜的膜以及所述第一膜的上表面，从而所述要作为所述偏置磁体膜的膜的上表面被暴露；
在所述平坦化了的表面上形成要作为所述第一巨磁致电阻元件和所述第二巨磁致电阻元件中的另一个的第二膜；以及
通过在高温向所述第一膜和所述第二膜施加取向在单方向上的磁场来进行磁场热处理，从而固定所述被钉扎层的所述磁化方向。
28.如权利要求27所述的方法，其中在所述衬底上形成要作为所述第一到第三偏置磁体膜的膜的步骤包括以这样的方式形成这些膜：这些膜的每个具有相对于所述衬底的所述表面的至少一个斜面。
29.如权利要求27所述的方法，其中进行所述磁场热处理的步骤使用从包括多个矩形的实心永磁体的磁体阵列产生的磁场，每个所述永磁体具有垂直于所述永磁体的每个的中心轴的正方形端表面，所述永磁体以这样的方式以小间距排列：所述端表面的重心对应于四方格子的格点，且呈现在所述永磁体的任意一个的所述正方形表面上的极性与呈现在被间隔开的另一相邻永磁体的所述正方形表面上的极性相反。
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