本发明涉及 GM R、 MTJ桥式传感器的设计和制备方法， 特别是一种单一芯； t的桥式磁场传 感器， 刺备方法可以用于在单一磁性薄膜上制作半桥 、 全桥磁性传感器。

背景技术

磁性隧道结传感器 （M:TJ,Magiietic Tunel Junction) 是近年来幵始工业应用的新型磁电阻效应 传感器， 它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应 (TMR , Tunnel Magnetoresistance),主 要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和 方向的变化,磁性多层膜的电阻发生明显变 化， 它比之前所发现并实际应用的 AMR (各向异性磁电阻效应)、 具有更大的电阻变化率,同 时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性 . MTJ 磁性传感器具有电阻变化率大， 输出信 号幅值大， 电阻率高， 功耗低， 温度稳定性高的优点。 用 MTJ 制成的磁场测量器件,比 AMR、 GMR、 霍尔器件具有灵敏度更高、 功耗更低、 线性更好、 动态范围更宽、 温度特性 更好， 抗千扰能力更强的优点。 此外 MTJ 还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中 ， 便于制成体积很小的集成磁场传感器。

推挽桥式传感器具有比单电阻、 参考电阻桥式传感器更高的灵敏度， 同时具有温度 偿功 能， 能够抑制温度漂移的影响。 传统的推挽式桥式传感器要求相邻两个桥臂电 阻中的磁性遂 道结的钉扎层磁矩方向相反， 而通常沉积在同一硅片上的磁性璲道结 ΜΤ,ί, 由于其磁矩翻转 所需要的磁场强度大小相同， 因而在同一个硅片上的磁电阻钉扎层磁矩通常 都相同。 这使得 制作推挽桥式传感器存在很大困难。 目前制作推挽留桥式传感器的方法主要有： 采用两次成 膜工艺， 分两次分别沉积钉扎层方向相反的 MTJ 元件， 这使得其制作工艺复杂， 同时第二 次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄 膜。 这使得前后两次成膜的一致性差， 导致桥 式传感器不同桥臂的电阻不相同， 影响传感器的整体性能。

多芯片封装技术： 通常从同一硅片或是不同硅片取两个一致性好 的磁电阻， 这两个磁电阻的 敏感方向相同 （钉扎层方向）， 然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转 180 度进行多芯片封 装， 构成推挽式半桥。 这样的结果是能够实现推挽式半桥的功能， 即提高了检測灵敏度， 具 有温度 偿功能， 但是另一方面多芯片封装， 封装尺寸大， 生产成本高： 实际封装时不能严 格的进行 1 80度翻转， 即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差 180度， 使得两个电阻随外 场变化的输出特性不相同， 出现灵敏度不同， 存在比较大的偏置电压等不对称问题， 这样在 实际应用中就会带来新的问题。

激光加热辅劭磁畴局部翻转法： 通常在硅片上制备 GMR、 MTJ全桥时， 采用将 GMR、 MTJ 硅片在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉扎 层磁矩方向相同。 之后采用激光对硅片进行局 部加热辅助磁矩翻转， 使得桥式传感器相邻桥臂的钉扎层磁矩方向相 反， 从而实现单一硅片 的桥式传感器。 但是激光加热辅助磁畴翻转的方法需要专用设 备， 设备昂贵， 增加了工艺复 杂度， 同时激光加热所制得的桥式传感器， 其各桥臂的电阻一致性也无法得到保证。

从以上可以看出， 现有的单一芯 j†桥式传感器都存在整体性能无法保证， 生产成本高等缺 点。

发明内容

本发明的目的是提供一种单一芯片桥式磁场 传感器及其制备方法， 可以方便的在单一芯片上 制备全桥磁场传感器和半桥磁场传感器。

为达到上述目的， 本发明提供了一种单一芯片全桥磁场传感器， 包括四个磁电阻元件， 其中 每个磁电阻元件 ffl—个或多个 GMR或 MTJ 传感元件串联组成， 传感元件由自旋姆构成， 该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层 ； 所有磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在 相同的一个方向上； 位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层 的磁矩方向相同， 每个磁 电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层 的磁矩方向所成的夹角相同， 位于相邻位置的 两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其 磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相 同， 且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由 层的磁矩方向不相同。

本发明第二方面提供一种单一芯片全桥磁场 传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联构成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其 磁性易轴方向的形状。

本发明第三方面提供一种单一芯片全桥磁场 传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 在 该全桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电 阻自由层的磁矩方向偏置的磁体。

本发明第四方面提供一种单一芯片全桥磁场 传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 ΜΤ,ί 传感元件分别串联成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 在 该全桥磁场传感器上集成设置一用干将其磁电 阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线， 所述电 流线的电流方向与 MTJ或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

本发明第五方面提供一种单一芯片全桥磁场 传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 通 过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将 其磁电阻自 ώ层的磁矩方向偏置。

本发明第六方面提供一种単一芯片全桥磁场 传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 通 过在磁性自由层沉积一磁性层， 并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来 将其磁电阻自 由层的磁矩方向偏置。 本发明第七方面提供一种单一芯片全桥磁场传 感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 通 过权利要求 8-12方法中的一种或多种组合， 将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 ， 包括两个磁电阻元件， 其中每个磁电阻元件由 一个或多个 GMR 或 MTJ传感元件串联组成， 传感元件由自旋阀构成， 该传感元件包括一 磁性自由层和一磁性钉扎层； 磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的 一个方向上， 两 个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同 ； 两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与 其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 磁电阻 元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易 轴方向的形状。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 在该半 桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自 由层的磁矩方向偏置的磁体。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 在该半 桥磁场传感器上集成设置一用于将其磁电阻自 由层的磁矩方向偏置的的电流线， 所述电流线 的电流方向与 MTJ或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过磁 性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁 电阻自由层的磁矩方^偏置。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过在 磁性自由层沉积一磁性层， 并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来 将其磁电阻自由层 的磁矩方向偏置。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ传感 元件分别串联成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过权 利要求 19-23方法中的一种或多种组合， 将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。

附图说明

附图 1是磁隧道结 （MTJ) 的结构示意图。

附图 2是理想的磁隧道结磁场电阻输出特性示意图� �

附图 3是在外加垂直于钉扎层方向的磁场作用下， 自由层与钉扎层正向成不同角度时， 自由 层磁矩转动与电阻变化示意图。

附图 4是采 ¾在磁电阻元件上集成设置的片状永磁体对磁� ��阻元件的磁性自由层进行偏置示 意图

附图 5是传统的推挽式全桥 MTJ或 GMR传感器的工作原理示意图。

附图 6是一种单一芯片推挽式全桥磁场传感器的工� �原理示意图。

附图 7是外加一沿敏感方向的外磁场， 各桥臂的电阻自由层磁矩转动示意图。

附图 8是采用集成于芯片上的永磁片对推挽全桥的� � ώ层磁矩迸行偏置示意图。

附图 9所示， 是采用集成于芯片内的电流导线产生的磁场进 行偏置的示意图。

附图 10所示， 是一种优选的推挽全桥磁场传感器实施方案示 意图。

附图 11所示， 一种具体实施的单一芯片推挽全桥结钩示意图 。

附图 12所示， 是图 l i所示推挽全桥的输出特性。

附图 i3所示， 是一种单一芯片推挽半桥磁场传感器原理图。

附图 14所示， 是一种推挽半桥磁场传感器的实施例。

附图 15所示， 是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。

附图 16所示， 是一种推挽半桥磁场传感器的实施例的局部结 构放大示意图。

附图 17所示， 是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例的局部 结构放大示意图。

具体实施方式

本发明提供一种单一芯片全桥磁场传感器， 其包括四个磁电阻元件， 其中每个磁电阻元件 ώ 一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件串联组成， 传感元件 ώ自旋阀构成， 该传感元件包括一 磁性自由层和一磁性钉扎层； 磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的 一个方向上； 位 于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的 磁矩方向相同， 每个磁电阻的磁性自由层的磁 矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角 相同， 位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性 自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向 所成的夹角的角度相同， 且位于相邻位置的两 个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同 。

磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向 其磁性易轴方向的形状， 特别地形状可以是椭 圆， 长方形， 菱形。

一永磁体集成设置在该全桥磁场传感器上， ^于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。

一电流线集成设置在该全桥磁场传感器上， 用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置， 电流线 的电流方向与 MTJ或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场 来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。

通过在磁性自由层上沉积一磁性层， 并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来 将其磁电 阻自由层的磁矩方向偏置。 一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 磁电阻元件具有磁性 自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状 。

一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 在该全桥磁场传感器 上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方 向偏置的磁体。

一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以钩成一全桥磁场传感 器： 在该全桥磁场传感器 上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方 向偏置的的电流线， 电流线的电流方向与 ΜΤ,ί 或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 通过磁性自由层与磁 性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自 层的磁矩方向偏置。

一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器； 通过在磁性自由层沉 积一磁性层， 并利 其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁 电阻自由层的磁矩方向偏 置。

一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感元件分别串联 成四个磁电阻元件， 将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感 器： 通过上述方法中的一 种或多种组合， 将其磁电阻自 ώ层的磁矩方 ^进行偏置。

本发明还提供一种单一芯片半桥磁场传感器 ， 其包括两个磁电阻元件， 其中每个磁电阻元件 由一个或多个 GMR或 MTJ传感元件串联组成， 传感元件由自旋阀构成， 该传感元件包括 一磁性自由层和一磁性钉扎层； 磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的 一个方向上， 两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相 同； 两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向 与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。

磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向 其磁性易轴方向的形状， 特别地形状可以是椭 醫， 长方形， 菱形。

一磁体集成设置在该全桥磁场传感器上， 用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。

一电流线集成设置在该全桥磁场传感器上， 用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的， 电 流线的电流方向与 MTJ或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

通过磁性自 ώ层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻� ��由层的磁矩方向偏置。

通过在磁性自由层沉积一磁性层， 并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来 将其磁电阻 自由层的磁矩方向偏置。

一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 磁电阻元件具有磁性 自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状 。

一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR 或 MTJ传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器： 在该半桥磁场传感器 上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方 向偏置的磁体。

种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 在该半桥磁场传感器 上集成设置一用于将其磁电阻自由层的磁矩方 向偏置的的电流线， 电流线的电流方向与 MTJ 或 GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。

一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过磁性自由层与磁 性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的 磁矩方向偏置。

一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过在磁性自 ώ层沉 积一磁性层， 并利 ^其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其� �电阻自由层的磁矩方向偏 置。

一种单一芯片半桥磁场传感器的制备方法， 将一个或多个 GMR或 MTJ 传感元件分别串联 成两个磁电阻元件， 将两个磁电阻元件连接以构成一半桥磁场传感 器； 通过上述方法中的 种或多种组合， 将其磁电阻自由层的磁矩方向进行偏置。

如图 〗 所示， 磁遂道结 （ΜΤ,ί) 的结构由纳米级多层膜组成： 了 层 1 , 磁性被钉扎层 2, 非磁性绝缘层 3 , 磁性自由层 4。 磁性被 T扎层 2的磁矩方向如 5所示。 磁性自由层 4的磁 矩方向如 6所示。 磁性被 T扎层 2的磁矩方向 5与磁性自由层 4的磁矩方向 6相互垂直。 磁 性自由层 4的磁矩方向 6随着外加磁场 7的大小和方向的改变而变化。

隨道结磁阻效应 （TMR) 的工作原理， 磁隧道结 MTJ的磁阻随着磁性自由层 4 的磁矩方向 6与磁性被钉礼层 2的磁矩方向 5的夹角的变化而变化。 于磁性被钉¾层的磁矩方向被钉 扎层钉扎到磁性钉扎层方向上， 因此， 实际上隧道结 TMR的磁阻隨着磁性自由层 4的磁矩 方向 6与磁性钉扎层 1的磁矩的夹角的变化而变化。

如图 2所示， 当外加磁场 7的方向与被钉扎层 2的磁矩方向 5平行^, 同时外加磁场的强度 大于 HI时， 磁性自由层 4的磁矩方 ^与外加磁场 7的方向平行， 进而与磁性被钉扎层 2的 磁矩方向 5平行， 如 8所示， 这时隧道结 TMR的磁阻最小。 当外加磁场 7的方向与被钉扎 层 2的磁矩方向 5反平行时， 同时外加磁场的强度大于 H2时， 磁性自由层 4的磁矩方向与 外加磁场 7的方向反平行， 进而与磁性被钉礼层 2的磁矩方向 5反平行， 如 9所示， 这时璲 道结 TMR的磁阻最大。 HI与 H2之间的磁场范围就是 TMR的测量范围。

如图 3所示, 是当磁燧道结的自由层磁矩方向在外加磁场情 况下磁电阻变化的情况。 对于一 个 MTJ元件， 其钉扎层磁矩方向 21固定在一个确定的方向上， 其磁性自由层在指向第一方 向 23、 第二方向 24时， 外加一沿方向 22的外加磁场， 剣指向第一方向 23 ^ , 自由层磁矩 沿旋转方向 23A转向外场方向 22 ; 指向第二方向 24时， 自由层磁矩沿旋转方向 24A转向 外场方向。 則对于第一方向 23 , 其自由层磁矩方向与钉扎层磁矩 21 的指向夹角减小， 磁电 阻减小， 如 23B所示。 对于第二方向 24, 其自由层磁矩方^与钉扎层磁矩 21的指向夹角增 大， 磁电阻增大， 如 24E;所示。 如图 4所示， 可以采用集成于 ΜΤ、ί芯片上的永磁片对 23C 将 ΜΓΠ元件的磁性自由层磁矩偏置到第一方向 23 , 采用永磁片对 24C将 MTJ元件的磁性 自由层磁矩偏置到第一方向 24。 同时可以改变永磁片对 23C、 永磁片对 24C 与钉扎层方向 21的夹角 Θ , 改变磁性自 ώ层磁矩与钉扎层方向的角度。

如图 5 所示， 是传统的推挽式全桥 MTJ 或 GMR传感器的工作原理示意图。 分别由四个 MTJ或 GMR磁电阻组成， 分别是第一电阻 31R、 第二电阻 32R十、 第三电阻 33R+、 第四电 阻 34R -。 其中第一电阻 31R-与第四电阻 34R-相对， 其磁性钉扎层的第一磁矩方向 31A和第 四磁矩方向 34A 相平行； 第二电阻 32R-与第三电阻 33R+相对， 其钉扎层的第二磁矩方向 32A 与第三磁矩方向 33A 相同向平行； 且第一电阻 31R-的第一磁矩方向 31 A 与第二电阻 32:R+的第二磁矩方向 32A相反向平行。 在没有外加磁场的情况 T, 四个电阻 31、 32、 33、 34的自由层第一磁矩方向 31B、 第二磁矩方向 32B、 第— Ξ:磁矩方向 33B、 第四磁矩方向 MB 磁矩方向指向同一方向， 并与钉扎层磁矩方向垂直。 隨外加沿全桥 ΜΤ、ί 或 GMR敏感方向 35 的外磁场， 相邻的两个桥臂的电阻分别变大或变小， 相对的两个桥臂的两个电阻同时增 大或减小， 即构成一个锥挽式全桥磁场传感器。 从图中可以看出， 四个电阻的磁性钉 ¾层磁 矩方向不同， 不便干采用单一芯片制成推挽全桥， 只能采用多芯片封装或是激光局部加热辅 助退火的方法制成单一芯片推挽全桥磁场传感 器。

如图 6 所示， 是一种单一芯片推挽式全桥磁场传感器的工作 原理示意图。 分别由四个 MTJ 或 GMR磁电阻组成， 分别是第一电阻 4 iRl、 第二电阻 42R2、 第三电阻 43R2、 第四电阻 44:R_1。 位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层 的磁矩方向相同， 每个磁电阻的磁性 自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向 所成的夹角相同， 位于相邻位置的两个磁电阻 元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉钆层 的磁矩方向所成的夹角的角度相同， 位于相 邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩 方向不相同。 作为一种最优的情况， 特别地有 四个电阻的钉扎层磁矩方向 41A、 42A、 43 A , 44A 相互平行， 并指向同一个方向。 其中第 一电阻 4iRl 与第四电阻 44R1 相对， 其磁性自 ώ层的第一磁矩方向 41B 和第四磁矩方向 44Β相平行， 并与钉扎层第一方向 41Α、 钉¾层第四方向 44Α的正方向成 45度夹角； 第二 电阻 42R2与第三电阻 43R2相对， 其自由层的第二磁矩方向 42Β与第三磁矩方向 43Β相同 向平行， 并与钉扎层第二方向 42Α、 钉扎层第三方向 43Α的正方向成 45度夹角； ϋ第一电 阻 41 R1的第一磁矩方向 41 B 与第二电阻 42R2的第二磁矩方向 42Β相互垂直。 此全桥磁场 传感器的钉扎方向 45与 4个电阻的钉 ft层方向相同， 其敏感方向 46与钉扎方向 45垂直。 丛图中可以看出， 与图 5传统的推挽式全桥不同， 该单一芯片推挽全桥磁场传感器中四个电 阻的磁性钉扎层磁矩方向不同， 因此可以在单一芯片上， 通过一次工艺直接形成推挽全桥磁 场传感器， 而不需要采用多芯片封装工艺， 以及不需要进行激光加热局部辅助热退火。

GMR或 MTj元件， 可以利用其本身的形状各向异性对其自由层磁 矩进行偏置。 通常的形状 可以是橢圆形， 长方形， 菱形， 以及其它形状。 在各种形状当中， 通常其长轴方向为形状各 向异性易轴方向， 也就是磁各向异性易轴方向。 可以， 通过调整其形状的长短轴比， 改变其 磁各向异性， 进而改变其输入输出特性。 如图 Ί所示， 在夕卜加一沿敏感方向 46 的外磁场， 则相邻的两个桥臂的第一电阻 41、 第二电阻 42; 第三电阻 43、 第 4 电阻 44分别变大或变 小， 相对的两个桥臂的两个电阻同 增大或减小， 即构成一个推挽式全桥磁场传感器。 特别 地， 外加一沿敏感方向 46 正向的外磁场， 则自由层第一方向 41B、 第二方向 42B、 第三方 向 43:B、 第四方向 44B分别转到新的自由层第一方向 41C、 42C、 43C、 44C。 相应的第一、 第四电阻由 :R_1变为 Rl -ί- A :R_, 第二、 第三电阻分别由 R2变为 R2- A :R_。 则输出为

署 ² 善 ( ⁺

R2 + Rl ' ^bias

理想情况下， 其中初始值 R1=R2> Δ R,则化简后可得

R 2 - R l ^{D as}

即实现推挽式全桥输出。

如图 8所示， 是采用集成于芯片上的片状永磁体对推挽全桥 的自由层磁矩进行偏置示意图。 采用一沿方向 50 的外磁场对芯片中的片状永磁体迸行充磁， 撤去外磁场后， 剣片状永磁体 产生一沿磁体对轴线方向， 即垂直于边界方向的磁场， 并且其正负方向沿与充磁时外场方^ 夹角决定， 其与充磁方向 57的夹角小于 90度。 如图中所示， 由片状永磁体对 51、 53产生 的偏置磁场沿其轴线向右方向。 使第 Ξ:电阻 43 的自 ffl层偏置到正确的方向。 同样， 片状永 磁体对 5 K 52； 54、 56； 55、 56 分别对第一电阻 41， 第二电阻 42, 第四电阻 44 进行偏 置。

如图 9 所示， 是釆用集成于芯片内的电流导线产生的磁场进 行偏置的示意图。 电流导线 57、 58、 59位于需要偏置的电阻的正上方， 并与需要偏置的方向垂直， 则在 Bias和 Gnd之 间加一偏置电流， 则电流产生的磁场使电阻的自由层磁矩偏置到 预置的方向上。 对自由层磁 矩的偏置方法， 还可以是通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳 耦合场来将其磁电阻自 ώ层的 磁矩方向时行偏置。 或是

通过在磁性自 ώ层上沉积一磁性层， 并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来 将其磁电 阻自由层的磁矩方向进行偏置。

如图 ) 所示， 是一种优选的推挽全桥磁场传感器实施方案示 意图。 由四个磁电阻 （41、 42、 43 , 44) 组成一推挽式全桥， 其中钉扎钉扎方向 45竖直向上， 敏感方向 46水平， 永磁 体的充磁方向 57 水平向右。 四个磁电阻的自由层为楠圆形， 其自由层磁矩在没有外加偏置 场的情况下沿磁性易轴方向， 即椭圆的长轴方向。 在构成全桥的磁电阻两边， 分别放置集成 于芯片内的片状永磁体对 （61、 62、 63、 64)。 片状永磁体相对的那一条边， 可以设计成不 同的形状， 使其相对垂直方向有一倾斜的角度 Θ , 调整该 Θ角可以改变电阻的自由层磁矩的 方向。 以调整传感器的性能， 通常的 Θ角在 30度〜 60度之间， 其中以 45度时构成的全桥 磁场传感器性能最好。 通常可以改变全桥磁场传感器钉扎层方向 45， 片状永磁体充磁方向 67, 以及四个电阻的磁性易轴方向的相对指向， 来调整其响应方式。 通常， 可以通过以 T三 种方法来调整传感器响应方式：

改变传感器电阻的磁性自由层的形状， 可以改变其各向异性， 以及调整传感器的易轴方向， 即对于楠圆形状的长轴方向， 对于长方形的长边方向。

改变传感器的片状永磁体的初始化充磁方向 65。

改变片状永磁体对的材料和厚度， 使其对电阻产生大小不同的偏置磁场， 以调整其饱和场。 如图 】1 所示， 是单一芯片推挽全桥传感哭器的一种具体实施 的结构示意图。 传感器的钉扎 方向 45 , 敏感方向 46工。 其中组成推挽全桥的每一个电阻由一串磁隧道 结敏感元件串联而 成。 每一磁隧道结元件采用橢圆形状， 并旦釆用片状永磁体进行偏置。 并且芯片的焊盘 65 设置成可以连接多条引线， 焊盘可以通过引线连接到封装引线框和 /或 ASIC集成电路上。 如 图 12所示， 是如图 11所示的推挽全桥结构的最终输出特性。

如图 13 所示， 是推挽半桥磁场传感器示意图。 该推挽半桥磁场传感器 80 由两个磁电阻组 成， 每个磁电阻由一个或多个 GMR或 MTJ 元件串联组成， 每个元件可以做成椭圆形或长 方形， 菱形， 以利用其形状各向异性。 其中第一电阻 _{81 R} 】， 与第二电阻 83R2的钉钆层磁矩 第一方向 81A、 第二方向 83A相同， 都同钉扎方向 85 相同， 第一电阻 81 R】， 与第二电阻 83R 的自由层磁矩第一方向 81B、 第二方向 83B与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的 角度相同， 并且第一方向 81B 与第二方向 83E;方向不同， 最优情况下自由层磁矩第一方^ 8 IB与钉扎层磁矩第一方向 81 A的夹角为 45度， 自由层磁矩第二方向 83B与钉扎层磁矩第 一方向 83A的夹角为 45度。 在 Bias和 GND之间加一偏置电压， 当外加一沿敏感方向 86 的夕卜磁场时， 第一电阻 81R1增大， 第二电阻 83R2减小， 使输出 Λ 变小， 即构成一推挽半 桥磁场传感器。

如图 14 所示， 是一种推挽半桥磁场传感器的实施例。 图中采用集成于芯片上的片状永磁体 对， 对第一电阻 81 R1和第二电阻 83R2迸行偏置， 使其自由层磁矩第一方向 81B和第二方 向 83Β 指向确定的方向。 两个电阻的钉扎层方向竖直向上， 磁电阻元件的磁性易轴方向向 上， 片状永磁体对产生的偏置磁场方向水平向右， 则敏感方向水平。

如图 〗5 所示， 是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。 图中采用集成于芯片上的片状永磁 体对， 对第一电阻 81R1和第二电阻 83R2进行偏置， 使其自 ffl层磁矩第一方向 81B和第二 方向 83B 指向确定的方向。 两个电阻的钉扎层方向竖直向上， 磁电阻元件的磁性易轴方向 竖直向上， 片状永磁体对产生的偏置磁场充磁方向竖直向 上， 则敏感方向为水平。

以上对本发明的特定实施例结合图示进行了 说明， 很明显， 在不离幵本发明的范围和精神的 基础上， 可以对现有技术和工艺进行很多修改。 在本发明的所属技术领域中， 只要掌握通常 知识， 就可以在本发明的技术要旨范围內， 进行多种多样的变更。