單一晶片雙軸磁場傳感器及其製備方法
2023-09-18 02:45:30 2
專利名稱：單一晶片雙軸磁場傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及GMR、MTJ橋式傳感器的設計和製備，特別的是一種單一晶片雙軸磁場傳感器及其製備方法，所述方法可以用於在單一磁性薄膜上制雙軸GMR、MTJ磁場傳感器。
背景技術：
磁性隧道結傳感器(MTJ1Magnetic Tunel Junction)是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，它利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(TMR，Tunnel Magnetoresistance),主要表現在磁性多層膜材料中隨著外磁場大小和方向的變化，磁性多層膜的電阻發生明顯變化，它比之前所發現並實際應用的AMR(各向異性磁電阻效應)、 具有更大的電阻變化率，同時相對於霍爾效應材料具有更好的溫度穩定性.MTJ磁性傳感器具有電阻變化率大，輸出信號幅值大，電阻率高，功耗低，溫度穩定性高的優點。用MTJ製成的磁場測量器件，比AMR、GMR、霍爾器件具有靈敏度更高、功耗更低、線性更好、動態範圍更寬、溫度特性更好，抗幹擾能力更強的優點。此外MTJ還能方便的集成到現有的晶片微加工工藝當中，便於製成體積很小的集成磁場傳感器。通常雙軸磁場傳感器具有比單軸傳感器更高的集成度，更好的正交性，可以非常方便的應用於多軸或是矢量傳感器場合。而磁場本身就是一個矢量場，因而多軸磁場測量傳感器具有非常廣泛的應用。特別是電子羅盤，地磁測量等都採用雙軸或三軸磁場測量， 因此，生產，集成度高的，單一晶片多軸磁場傳感器是一種非常現實的需求。而傳統的雙軸 GMR、MTJ磁場傳感器，不同軸之間釘扎層磁矩方向不同，而通常沉積在同一矽片上的GMR、 MTJ元件，由於其磁矩翻轉所需要的磁場強度大小相同，因而在同一個矽片上的磁電阻元件，在進行退火之後，釘扎層磁矩通常都相同。這使得製作推挽橋式傳感器存在很大困難。 目前製作多軸磁場傳感器的方法主要有
採用多次成膜工藝，分多次分別沉積釘扎層方向不同的磁電阻元件，這使得製作工藝複雜，同時第二次及後工藝進行退火時會明顯影響之前沉積的薄膜。這使得前後成膜的一致性差，影響傳感器的整體性能。多晶片封裝技術。這樣的結果是能夠實現實現雙軸磁場傳感器的功能，但另一方面，也影響了一致性，以及封裝工藝的限制，兩個軸之間的正交性不能得到保證。另一方面多晶片封裝，封裝尺寸大，生產成本高。雷射加熱輔助磁疇局部翻轉法。通常在矽片上製備GMR、MTJ全橋時，採用將GMR、 MTJ矽片在同一強磁場中退火來使不同橋臂的釘扎層磁矩方向相同。之後採用雷射對矽片進行局部加熱輔助磁矩翻轉，從而實現地單一矽片上製備雙軸磁場傳感器。但是雷射加熱輔助磁疇翻轉的方法需要專用設備，設備昂貴，增加了工藝複雜度，同時雷射加熱所製得的橋式傳感器，其各橋臂的電阻一致性也無法得到保證。從以上可以看出，現有的單一晶片雙軸磁場傳感器設計與製備方法都存在整體性能無法保證，生產成本高等缺點。
發明內容
本發明的目的是提供一種全新的單一晶片雙軸磁場傳感器及其製備方法，可以方便的在單一晶片上製備雙軸磁場傳感器。為達到上述目的，本發明提供了一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器，它包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。本發明又提供了一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MT J傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。本發明又提供了一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MT J傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。本發明又提供了一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MT J傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。
附圖1是磁隧道結(MTJ)的結構示意圖。附圖2是理想的磁隧道結磁場電阻輸出特性示意圖。附圖3是在外加垂直於釘扎層方向的磁場作用下，自由層與釘扎層正向成不同角度時，自由層磁矩轉動與電阻變化示意圖。附圖4是採用在磁電阻元件上集成設置的片狀永磁體對磁電阻元件的磁性自由層進行偏置示意圖
附圖5是傳統的推挽式全橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。附圖6是一種單一晶片推挽式全橋傳感器的工作原理示意圖。附圖7是外加一沿敏感方向的外磁場，各橋臂的電阻自由層磁矩轉動示意圖。附圖8是採用集成於晶片上的永磁片對推挽全橋的自由層磁矩進行偏置示意圖。附圖9所示，是採用集成於晶片內的電流導線產生的磁場進行偏置的示意圖。附圖10所示，是一種優選的推挽全橋傳感器實施方案示意圖。附圖11所示，一種具體實施的單一晶片推挽全橋結構示意圖。附圖12所示，是圖11所示推挽全橋的輸出特性。附圖13所示，是一種單一晶片推挽半橋傳感器原理圖。附圖14所示，是第一雙軸推挽全橋傳感器示意圖。附圖15所示，是第二雙軸推挽橋式傳感器示意圖。附圖16所示，是第三雙軸推挽橋式傳感器示意圖。附圖17所示，是第四雙軸推挽橋式傳感器示意圖。
具體實施例方式一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器，它包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR 或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相
10同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的四個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。—種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元
11件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求上述方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或 MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。—種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的四個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求上述方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或 MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的兩個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。 一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求上述方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器，包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或 MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的兩個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。—種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。—種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。—種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求上述方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。如圖1所示，磁隧道結(MTJ)的結構由納米級多層膜組成釘扎層1，磁性被釘扎層2，非磁性絕緣層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。磁性自由層4 的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩方向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。隧道結磁阻效應(TMR)的工作原理，磁隧道結MTJ的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。由於磁性被釘扎層的磁矩方向被釘扎層釘扎到磁性釘扎層方向上，因此，實際上隧道結TMR的磁阻隨著磁性自由層4 的磁矩方向6與磁性釘扎層1的磁矩的夾角的變化而變化。如圖2所示，當外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時，同時外加磁場的強度大於Hl時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5平行，如8所示，這時隧道結TMR的磁阻最小。當外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5反平行時，同時外加磁場的強度大於H2時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向反平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示， 這時隧道結TMR的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場範圍就是TMR的測量範圍。如圖3所示，是當磁隧道結的自由層磁矩方向在外加磁場情況下磁電阻變化的情況。對於一個MTJ元件，其釘扎層磁矩方向21固定在一個確定的方向上，其磁性自由層在指向第一方向23、第二方向M時，外加一沿方向22的外加磁場，則指向第一方向23時，自由層磁矩沿旋轉方向23A轉向外場方向22 ；指向第二方向M時，自由層磁矩沿旋轉方向24A 轉向外場方向。則對於第一方向23，其自由層磁矩方向與釘扎層磁矩21的指向夾角減小， 磁電阻減小，如2 所示。對於第二方向24，其自由層磁矩方向與釘扎層磁矩21的指向夾角增大，磁電阻增大，如24B所示。如圖4所示，可以採用集成於MTJ晶片上的永磁片對23C 將MTJ元件的磁性自由層磁矩偏置到第一方向23，採用永磁片對24C將MTJ元件的磁性自由層磁矩偏置到第一方向對。同時可以改變永磁片對23C、永磁片對24C與釘扎層方向21 的夾角θ，改變磁性自由層磁矩與釘扎層方向的角度。如圖5所示，是傳統的推挽式全橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。分別由四個MTJ或GMR磁電阻組成，分別是第一電阻31R-、第二電阻32R+、第三電阻33R+、第四電阻34R-。其中第一電阻31R-與第四電阻34R-相對，其磁性釘扎層的第一磁矩方向31Α和第四磁矩方向34Α相平行；第二電阻32R+與第三電阻33R+相對，其釘扎層的第二磁矩方向 32Α與第三磁矩方向33Α相同向平行；且第一電阻31R-的第一磁矩方向31Α與第二電阻 32R+的第二磁矩方向32Α相反向平行。在沒有外加磁場的情況下，四個電阻31、32、33、34的自由層第一磁矩方向31Β、第二磁矩方向32Β、第三磁矩方向33Β、第四磁矩方向34Β磁矩方向指向同一方向，並與釘扎層磁矩方向垂直。隨外加沿全橋MTJ或GMR敏感方向35的外磁場，相鄰的兩個橋臂的電阻分別變大或變小，相對的兩個橋臂的兩個電阻同時增大或減小， 即構成一個推挽式全橋傳感器。從圖中可以看出，四個電阻的磁性釘扎層磁矩方向不同，不便於採用單一晶片製成推挽全橋，只能採用多晶片封裝或是雷射局部加熱輔助退火的方法製成單一晶片推挽全橋傳感器。如圖6所示，是一種單一晶片推挽式全橋傳感器的工作原理示意圖。分別由四個MTJ或GMR磁電阻組成，分別是第一電阻41 Rl、第二電阻42R2、第三電阻43R2、第四電阻44R1。位於相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。作為一種最優的情況，特別地有四個電阻的釘扎層磁矩方向41A、42A、43A、44A相互平行，並指向同一個方向。其中第一電阻41R1與第四電阻44R1相對，其磁性自由層的第一磁矩方向41B和第四磁矩方向 44B相平行，並與釘扎層第一方向41A、釘扎層第四方向44A的正方向成45度夾角；第二電阻42R2與第三電阻43R2相對，其自由層的第二磁矩方向42B與第三磁矩方向4 相同向平行，並與釘扎層第二方向42A、釘扎層第三方向43A的正方向成45度夾角；且第一電阻41R1 的第一磁矩方向41B與第二電阻42R2的第二磁矩方向42B相互垂直。此全橋傳感器的釘扎方向45與4個電阻的釘扎層方向相同，其敏感方向46與釘扎方向45垂直。從圖中可以看出，與圖5傳統的推挽式全橋不同，該單一晶片推挽全橋傳感器中四個電阻的磁性釘扎層磁矩方向不同，因此可以在單一晶片上，通過一次工藝直接形成推挽全橋傳感器，而不需要採用多晶片封裝工藝，以及不需要進行雷射加熱局部輔助熱退火。所述GMR或MTJ元件，可以利用其本身的形狀各向異性對其自由層磁矩進行偏置。 通常的形狀可以是橢圓形，長方形，菱形，以及其它形狀。在各種形狀當中，通常其長軸方向為形狀各向異性易軸方向，也就是磁各向異性易軸方向。可以，通過調整其形狀的長短軸比，改變其磁各向異性，進而改變其輸入輸出特性。如圖7所示，在外加一沿敏感方向46的外磁場，則相鄰的兩個橋臂的第一電阻41、 第二電阻42 ；第三電阻43、第4電阻44分別變大或變小，相對的兩個橋臂的兩個電阻同時增大或減小，即構成一個推挽式全橋傳感器。特別地，外加一沿敏感方向46正向的外磁場， 則自由層第一方向41B、第二方向42B、第三方向43B、第四方向44B分別轉到新的自由層第一方向41C、42C、43C、44C。相應的第一、第四電阻由Rl變為Rl+ Δ R，第二、第三電阻分別由 R2變為R2-AR。則輸出為
權利要求
1.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。
2.如權利要求1所述的第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
3.如權利要求1所述的第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
4.如權利要求1所述的第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線， 所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
5.如權利要求1所述的第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
6.如權利要求1所述的第一單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
7.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的四個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
8.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
9.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
10.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
11.一種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
12.—種第一單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成八個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求7-11方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。
13.—種第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括四個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且所述第一軸中的位於相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。
14.如權利要求13所述的第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
15.如權利要求13所述的第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
16.如權利要求13所述的第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
17.如權利要求13所述的第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
18.如權利要求13所述的第二單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
19.一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的四個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
20.一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
21.—種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
22.—種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
23.—種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
24.一種第二單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求19-23方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。
25.—種第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述第一軸的磁電阻元件和第二軸的磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的四個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。
26.如權利要求25所述的第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
27.如權利要求25所述的第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
28.如權利要求25所述的第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
29.如權利要求25所述的第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
30.如權利要求25所述的第三單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
31.一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的兩個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
32.—種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
33.一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
34.一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
35.一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
36.一種第三單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成六個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外四個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求31-35方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。
37.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於包括第一軸和第二軸，所述第一軸包括兩個磁電阻元件，所述第二軸包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯組成，傳感元件由自旋閥構成，該傳感元件包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；所述磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，磁性自由層的磁矩方向垂直於釘扎層磁矩的方向，所述磁性自由層的磁矩方向隨外加磁場的大小成比例旋轉；所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同，所述第一軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同；所述第二軸中的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向同向且都垂直於該磁電阻元件的釘扎層磁矩的方向。
38.如權利要求37所述的第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於所述第一軸中的磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
39.如權利要求37所述的第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
40.如權利要求37所述的第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於它還包括一集成設置在該雙軸全橋傳感器第一軸上的用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
41.如權利要求37所述的第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
42.如權利要求37所述的第四單一晶片雙軸磁場傳感器，其特徵在於通過在磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將所述第一軸的磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
43.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於 將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；所述第一軸的兩個磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。
44.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在該第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
45.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；在第一單一晶片雙軸磁場傳感器的第一軸上集成設置一用於將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
46.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
47.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過在所述第一軸磁電阻元件的磁性自由層沉積一磁性層，並利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
48.一種第四單一晶片雙軸磁場傳感器的製備方法，其特徵在於將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯成四個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構成第一軸，將另外兩個磁電阻元件串聯以構成第二軸，將第一軸和第二軸相連接以構成單一晶片雙軸磁場傳感器；通過權利要求43-47方法中的一種或多種組合，將所述第一軸磁電阻元件的磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。
全文摘要
本發明公開了一種單一晶片雙軸磁場傳感器及其製備方法，該傳感器由單一晶片橋式傳感器和參考電阻橋式傳感器組合使用，分別用來測量正交的兩個方向的磁場。在同一晶片所有的電阻的釘扎層磁矩相同。利用電阻自由層的不同形狀的形狀各向異性和/或集成於晶片上的片狀永磁體將自由層磁矩偏置到一特定的角度。採用該設計可以在同一晶片上，一次直接製備單一晶片雙軸磁場傳感器，所公開的單一晶片橋式磁場傳感器相對傳統的設計具有，性能更好，工藝簡單，成本更低的特點。
文檔編號G01R33/09GK102226835SQ20111008459
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月6日 優先權日2011年4月6日
發明者劉明峰, 沈衛鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司