CN103988311A - 磁传感器复位和稳定化控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

确定复位电流脉冲和第二稳定电流的至少一个的幅度和方向(它分别产生复位场和第二稳定场)，当施加到磁感测元件的阵列时，在磁传感器的运行和外部场的测量期间，使总的所需的稳定场和复位场最小化。所以弱场传感器在固定的外部场运行点周围最佳地运行(具有最高的灵敏度和最低的功耗)。固定的外部场由传感器器件外壳中的其他组件(比如扬声器磁铁)产生，关于描述方位信息的弱(地球)磁场它们具有强而且是静态的场。

Description

磁传感器复位和稳定化控制的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月31日提交的13/286,026号美国实用申请的利益。

技术领域

本文介绍的示范实施例一般涉及磁电子设备领域，更确切地说，涉及用于感测磁场的CMOS兼容的磁电子场传感器。

背景技术

传感器在现代***中广泛使用，以测量或检测物理参数，比如位置、运动、力、加速度、温度、压力等。虽然为了测量这些和其他参数存在着各种各样的不同传感器类型，但是它们都难免各种局限。例如，廉价的弱场传感器，比如在电子罗盘和其他类似磁感测应用中所用的传感器，一般为带有通量集中器的霍尔效应器件或者基于各向异性磁阻(AMR)的器件。为了达到所要求的灵敏度以及与CMOS配合良好的合理电阻，AMR传感器的感测单元的尺寸一般在平方毫米的量级，而与霍尔效应传感器相关联的辅助CMOS同样可能变得大且昂贵。对于移动应用，就费用、电路面积和功耗而言，这样的AMR传感器配置成本太高。

其他类型的传感器，比如磁隧道结(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR)传感器，已经用于提供更小轮廓的传感器，但是这样的传感器具有它们自己的关注点，比如灵敏度不足和受温度变化影响。针对这些关注点，MTJ、GMR和AMR传感器已经在惠斯通电桥结构中采用以提高灵敏度和消除由温度决定的电阻变化。为了使传感器尺寸和成本最小化，优选MTJ或GMR元件。典型情况下，惠斯通电桥结构使用磁屏蔽抑制电桥内参照元件的响应，使得仅有感测元件(从而电桥)以预定方式响应。不过，磁屏蔽很厚而且其制作要求仔细调整的NiFe晶种和电镀步骤。与磁屏蔽相关联的另一个缺点发生在暴露于强(～5kOe)磁场时屏蔽保留残余场时，因为这个残余场可能损害电桥结构的弱场测量能力。为了防止磁屏蔽的使用，惠斯通电桥结构可以对每个感测轴都包括两个相反的反铁磁钉扎方向，产生对于每个晶片都必须单独设置的四个不同的钉扎方向，常常要求复杂而笨拙的磁化技术。

与施加的稳定场在幅度上类似或更大且方向相反的大的外部场，例如，要测量的场，可能使稳定场减小、取消或反转，导致传感器噪声增大和复位可靠性问题，阻碍了准确的测量。不仅如此，与磁器件复位方向相反的大的外部场有效地使复位场反转，所以复位操作的效力也反转了。

所以，期望提供对于测量多种物理参数具有高信噪比的磁电子传感器的制造方法和布局。还需要简单、强壮而可靠的传感器，能够高效且廉价地构建为集成电路结构用于移动应用。还需要改进的磁场传感器和方法克服现有技术的若干问题，比如以上略述的问题。不仅如此，按照后续的具体实施方式和附带的权利要求书，连同附图和上述技术领域和背景技术，这些示范实施例的其他期望的特点和特征将变得显而易见。

发明内容

场传感器被配置为在场测量之前复位感测元件。

由多个磁感测元件测量外部场的第一种示范方法包括：提供第一复位场脉冲以定向所述磁感测元件；向所述多个磁感测元件提供第一稳定场；在由所述磁感测元件感测的所述第一稳定场的方向上检测外部场分量；确定至少一个第二复位场脉冲和第二稳定场的幅度；施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加第二复位场脉冲，以及在测量所述外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定场；以及测量所述外部场方向和幅度。

由多个磁感测元件测量外部场的第二种示范方法包括向邻近每个所述磁感测元件的第一电流线路提供第一复位电流脉冲用于产生第一复位场脉冲；向邻近每个所述磁感测元件的第一电流线路提供第一稳定电流用于产生第一稳定场；在由耦接到所述磁感测元件的电路感测的所述第一稳定场的方向上确定外部场分量；确定第二复位电流脉冲和第二稳定电流的至少一个，分别用于产生第二复位场脉冲和第二稳定场；施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加第二复位电流脉冲，以及在测量外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定电流；以及测量所述外部场方向和幅度。

示范磁场传感器包括电桥电路，该电桥电路包括被配置为感测外部场的多个磁感测元件，所述多个磁感测元件每个都具有轴；邻近所述多个磁感测元件中的每一个的电流线路；第一电路，被配置为在所述电流线路上施加第一复位电流脉冲随后施加第一稳定电流；以及测量由所述多个磁感测元件感测的所述外部场的幅度和方向，并且确定在所述轴的方向上所述外部场的分量；第二电路，被配置为确定至少一个第二复位电流脉冲的幅度和方向和第二稳定电流的幅度和方向，分别用于产生第二复位场脉冲和第二稳定场；施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加复位场，或者在测量外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定场；以及测量所述外部场方向和幅度。

附图说明

后文将连同以下附图介绍本发明，其中同样的数字表示同样的元件：

图1展示了两个有效感测元件，具有与钉扎层在不同方向上角度相同的磁化，将响应外部施加磁场而偏转并提供与钉扎层的钉扎方向不对齐的磁场分量的相关输出信号；

图2展示了电子罗盘结构，使用的差动传感器由具有无屏蔽MTJ传感器的两个电桥结构形成，连同每个电桥结构的电路输出；

图3是惠斯通电桥电路的简化示意透视图，其中串联的MTJ传感器对齐为具有与钉扎层磁化方向不同的磁化方向；

图4是第一和第二MTJ传感器的局部示意透视图，它们包括磁场发生器结构，用于在感测操作之前或期间清除或稳定感测层；

图5是集成电路的局部剖面图，其中图4所示的第一和第二MTJ传感器形成为使感测层具有不同磁化方向；

图6是没有对传感器施加稳定场时磁阻对所施加场的示例图；

图7是对传感器施加稳态稳定场时磁阻对所施加场的示例图；

图8是对传感器施加预测量复位脉冲时磁阻对所施加场的示例图；

图9是中间标线图案的简化示意俯视或平面图，显示了以惠斯通电桥电路中配置的多个串联的MTJ传感器形成的差动传感器，使磁场发生器结构关于MTJ传感器定位；

图10是根据示范实施例，使用由具有MTJ传感器的三个电桥结构形成的差动传感器的电子罗盘结构；

图11是根据另一个示范实施例，图10的Z轴电桥结构的局部剖面；

图12是由图11中四个磁隧道结传感器中两个的有限元仿真算出的通量线图；

图13是三个惠斯通电桥的部分框图，被配置为接收顺序地施加的复位脉冲，用于使每个电桥内的多个MTJ传感器复位；

图14是另外三个惠斯通电桥的部分框图，被配置为接收顺序的复位脉冲，用于使每个电桥内的多个MTJ传感器复位和感测磁场；

图15是流程图，显示了使MTJ场传感器顺序地复位的方法，可用于提供初始化磁场感测元件；

图16是逻辑电路的框图，用于执行根据示范实施例的方法；

图17是流程图，显示了采用感测元件易磁化轴与基准层磁化角之间的非正交偏离对磁传感器的复位和稳定化控制的第一示范方法；

图18是流程图，显示了在感测元件易磁化轴与基准层磁化角之间具有90度方位的磁传感器的复位和稳定化控制的示范方法；

图19是流程图，显示了对磁传感器的复位和稳定化控制的第三示范方法。

具体实施方式

以下详细描述在性质上仅仅是展示性的，并非意在限制本主题的实施例或者这样的实施例的应用和使用。本文作为示范介绍的所有实现不应被视为更优选或优于其他实现。不仅如此，没有意图限于由前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论。

介绍了用于差动传感器阵列的方法和装置，其中在钉扎层之上形成的感测元件用复位和稳定场脉冲动态地复位和稳定化，其电流幅度和方向从感测的外部场分量确定，并且被施加(如在每个测量周期期间)到差动传感器阵列。使用形状各向异性，可以形成两个感测元件阵列的形状，使其在与钉扎层的单个磁化方向不同的方向上具有均等角度的磁化，使得感测层将响应外部施加磁场而偏转。利用这种配置，从单个钉扎方向可以形成单轴的磁传感器，或者从三个这样的差动传感器电路形成罗盘电路，使得对于整个三轴罗盘需要仅仅两个钉扎方向，从而简化并降低了制造成本和复杂性。在示范实现中，每个差动传感器电路都被构造为惠斯通电桥结构，其中使用未屏蔽有效感测元件的四个阵列来检测和测量外部施加磁场。

为了针对可能削弱感测元件场响应的场波动，可以通过或者先于每次场测量或者在准备磁传感器的预定区间，施加复位场脉冲来动态地稳定传感器层，从而不需要任何硬偏置层稳定感测元件。没有这样的硬偏置稳定化或测量准备能力(复位场)，瞬间暴露于强场都可能以很不确定的状态使感测元件的磁化再定向。为了可能的最高信噪比(SNR)最佳地调整感测阵列的尺寸，同时允许可用的供电电压以所需要的电流以及在测量阶段期间产生的稳定场来稳定传感器。为了可能的最小物理阵列尺寸，从而最低成本，铜线(或并联连接的线段序列)优选情况下在每个感测元件之下和之上走线。在稳定化(或测量)阶段，这些线段的每一段都被串联连接，使得每个感测元件都具有一致的稳定场，从而一致的传感器响应。所以，阵列平均是精确的并且SNR对于给定的阵列尺寸被增加了最大的量。为了准备感测元件用于场测量，在施加稳定场之前沿着稳定路径施加定向复位场脉冲。

这种复位可以是周期的、先于每次测量或者仅仅在遇到错误条件(表明误定向的非常高的电桥偏移量、线性误差或高噪声条件)时发生。由于单个感测元件的各向异性与为了噪声最优化必须被施加的稳定场相比很大，但是与感测元件再定向所需的场量级相同，所以定向场脉冲的幅度比在测量阶段期间为了传感器稳定所施加的幅度大得多。所以，可用电压不足以使为了最高SNR而调整尺寸的阵列复位。在准备阶段之后，在电桥或感测轴内的全部线段被串联连接，并且向这些区段施加稳定电流并且可以进行测量。

在许多罗盘应用中，磁强计大多数运行在存在着静态、但是强的(在0.5高斯大地磁场的数值范围)指示传感器的方位的干扰场时。由于这种干扰场的幅度和方向由最终设备中的安装几何形态确定(即具体蜂窝电话模型中离扬声器磁铁的距离)，并且随着设备的不同而变化，期望采用自适应的稳定方法和传感器复位方法。这样的方法可以对于每个传感器轴不同地改变复位脉冲和稳定场的振幅和极性，以便克服静态场投影，与其协力地工作，以对于每台特定设备和场剖面，取决于干扰场在每个感测轴上的投影，使设备信号、功率和复位可靠性最优化。为了减轻与稳定场冲突的外部场的影响，对邻近磁感测元件的电流线施加第一稳定电流，并且确定与稳定场对齐并由第一稳定电流产生的外部场分量。在第一示范实施例中，确定第二稳定电流(它产生第二稳定场)的幅度和方向，对磁感测元件施加时，抵消测量该外部场期间的这种冲突。在另一个示范实施例中，确定复位电流(它产生复位场)的幅度和方向，对磁感测元件施加时，抵消测量该外部场期间的这种冲突。在又一个示范实施例中，通过复位期间经由自测线施加电流来施加难磁化轴场。在再一个示范实施例中，如果外部场与内部稳定场相反，第二稳定场和复位场的方向从第一稳定场倒转。如果第二稳定场的绝对值大于某阈值，由于外部场方向与期望的稳定场一致并且能够代替内部稳定场使用，所以不施加第二稳定场。如果第二稳定场的绝对值不大于某阈值，则施加第二稳定场，并且由磁传感器测量外部场方向和强度。

现在将参照若干附图详细地介绍本发明的各种展示性实施例。虽然在以下说明中阐述了多个细节，但是应当认识到没有这些具体细节也可以实践本发明，并且可以对本文介绍的本发明进行无数的具体实施特定的决策以实现器件设计者的具体目标，比如遵循工艺技术或设计相关的约束，它将随着不同实施而不同。虽然这样的开发努力或许复杂而耗时，然而对于受益于本公开的本领域的普通技术人员将是承担的例行公事。此外，为了避免限制或模糊本发明，参照不包括每个器件特征或几何形态的简化剖面图来描述若干选择的方面。还应当注意，在本具体实施方式的自始至终，本文可能没有详细地介绍与集成电路器件的磁阻式随机存取存储器(MRAM)设计、MRAM操作、半导体器件制造和其他方面有关的常规技术和特征。虽然作为现有的MRAM制作过程的一部分为了制作集成电路传感器将形成和除去某些材料，但是以下没有详细介绍形成或除去这样的材料的具体过程，因为这样的细节众所周知并且被视为对于教导本领域的技术人员如何作出或使用本发明不必要。不仅如此，在本文包含的多幅图中所示的电路/组件布局和配置意在表示本发明的示范实施例。应当注意，在实际实施例中可以出现许多替代或补充电路/组件布局。

应当认识到，附加的加工步骤将用于制作MTJ传感器结构。例如，沉积、图案化和蚀刻一层或多层电介质、铁磁体和/或传导层时可以使用众所周知的技术，连同常规的后端加工(未描述)，典型情况下包括形成多个互连的水平面，它们被用于以期望的方式连接若干传感器结构以实现所期望的功能。因此，取决于工艺和/或设计需求，用于完成传感器结构制作的具体步骤序列可以变化。

由多个磁感测元件测量外部场的方法包括向多个磁感测元件提供第一复位场脉冲，继之提供第一稳定场；检测由磁感测元件感测的第一稳定场方向上的外部场分量；确定在给定外部场的强度和方位情况下，使磁传感器的性能最佳所需的至少一个第二复位场脉冲和第二稳定场的幅度；施加以下至少一个：先于测量外部场方向和幅度的第二复位场，以及在测量外部场方向和幅度同时施加的第二稳定场；以及测量外部场的方向和幅度。

现在转向图1，以简化的示意形式显示了传感器结构1，它使用两个有效的感测元件类型20、30和钉扎层10以测量外部磁场。如图描绘，有效感测元件20、30的磁化方向21、31在与钉扎层10磁化方向不同的方向上具有均等的角度。所以可以形成感测元件20、30使得每个感测元件的形状对于该感测元件在期望的磁化方向上延长。因此，感测元件20、30使用其形状各向异性产生从钉扎层10偏离的磁化方向。例如，第一感测元件20可以形成为使得其优选磁化方向与钉扎层10的磁化方向成-135度的角，而第二感测元件30使得其优选磁化方向与钉扎层10的磁化方向成135度的角，尽管可以使用其他偏离角。

因为横跨感测元件和钉扎层的电导系数取决于感测元件与钉扎层之间夹角的余弦，所以通过施加使得传感器元件20、30的磁化偏转的外部磁场(H)能够改变传感器结构的电导系数。例如，如果对传感器结构1没有施加场(H＝0)，那么感测元件20、30的磁化方向21、31不变，并且在第一传感器元件20与第二传感器元件30的电导系数之间不存在差异。如果对传感器结构2施加沿着或反平行于钉扎层10的外部场H，施加的场将使传感器元件20、30的磁矩22、32均等地偏转或旋转，对每个传感器元件产生等同的电导系数变化，从而其差异没有变化。不过，向传感器结构3施加与钉扎层10正交的外部场H时，每个感测元件20、30的磁矩23、33响应所施加的场不同地变化。例如，图1所示的外部场H指向右侧时，提高了第一感测元件20的电导系数，同时降低了第二感测元件30的电导系数，产生了与场强度有关的差异信号。以这种方式，所描绘的传感器结构测量所施加场的与钉扎轴垂直而不是与其平行的投影。

图2显示了第一传感器201和第二传感器211，分别用于检测所施加场沿着第一y轴(轴1)和第二x轴(轴2)的分量方向。如图描绘，每个传感器都以连接在电桥配置中的无屏蔽感测元件形成。因此，在以第一方向被磁化的钉扎层206之上，感测元件202至205连接在电桥配置中形成第一传感器201。以类似方式，在以与钉扎层206的磁化方向垂直的第二方向被磁化的钉扎层206之上，感测元件212至215连接在电桥配置中形成第二传感器211。在描绘的电桥配置201中，形成的感测元件202、204具有第一磁化方向，而形成的感测元件203、205具有第二磁化方向，其中第一与第二磁化方向关于彼此正交，并且与钉扎层206的磁化方向均等不同地被定向。至于第二电桥配置211，感测元件212、214具有的第一磁化方向与感测元件213、215的第二磁化方向正交，使得第一和第二磁化方向与钉扎层216的磁化方向均等地不同。在所描绘的传感器201、211中，感测元件不需要屏蔽，也不需要任何特殊的参照元件。在示例实施例中，这是通过使用形状各向异性技术使每个有效感测元件(如202、204)以另一个有效感测元件(如，203、205)为参照，以便建立彼此偏转90度的参照感测元件的易磁化轴来实现的。

通过与从传感器的钉扎方向的均等地偏转的每个传感器中的正交感测元件方位正交对齐地放置第一传感器201和第二传感器211，这些传感器能够沿着第一轴和第二轴检测所施加场的分量方向。这在图2中展示为在每个传感器之下显示的所描绘电路仿真。在每个仿真中，当感测元件从反平行状态切换到平行状态时，对于具有10Oe各向异性场、0.5Oe施加场和磁阻为100％的感测元件，仿真电桥输出207、217是所施加场角度的函数。仿真的电桥输出能够被用于唯一地识别所施加外部场的任何方位。例如，以0度场角施加的场(如指向“上”所以它与y轴即轴1对齐)将从第一传感器201产生0mV/V的电桥输出，并且将从第二传感器211产生10mV/V的电桥输出。相反，以相反方向施加的场(如指向“下”所以它与180度的场角度对齐)将从第一传感器201产生0mV/V的电桥输出，并且将从第二传感器211产生-10mV/V的电桥输出。

上述可见，可以从差动传感器201、211形成磁场传感器，差动传感器201、211使用在各自钉扎层206、216之上的电桥配置中连接的无屏蔽感测元件202-205、212-215，以便检测所施加磁场的存在和方向。利用这种配置，排除了在磁屏蔽或NiFe通量集中器和通量导板中出现剩余磁矩的可能性；比如具有三轴响应的霍尔器件可能出现的可能性。另外，磁场传感器提供了良好灵敏度，并且还提供了电桥配置的温度补偿特性。通过排除形成磁屏蔽层的需要，降低了制作复杂度和成本并减小了传感器结构的尺寸(就排除形成任何屏蔽层所需要的硅片空间而言)。使用无屏蔽感测元件还存在着性能优势，因为通过除去磁屏蔽层排除了磁残余问题。

图3提供了通过在惠斯通电桥电路中连接四个MTJ传感器301、311、321、331所形成的示例场传感器300的简化示意透视图，其中串联的MTJ传感器301、311、321、331以传感器层302、312、322、332形成，它们被对齐为具有与钉扎层304、314、324、334的磁化方向不同的磁化方向。所描绘的传感器300以MTJ传感器301、311、321、331形成，制作工艺可以为现有的MRAM制作工艺的一部分，只有较小的调整以控制不同层的磁场方向的方位。确切地说，每个MTJ传感器301、311、321、331都包括第一钉扎电极304、314、324、334、绝缘隧道电介质层303、313、323、333和第二感测电极302、312、322、332。钉扎和感测电极是磁性理想的材料，例如，并非意在限于NiFe、CoFe、Fe、CoFeB等，或者更一般地，是其磁化能够被共同对齐的材料。适当的电极材料和布局的示例是通常用于磁阻随机存取存储器(MRAM)器件的电极的材料和结构，它们在本领域中众所周知并且包含铁磁材料等。可以形成钉扎和感测电极以具有不同的矫顽力或场需求。矫顽场基本上是在饱和之后把磁铁从一个方向倒转到另一个方向所需场的量。在技术上，它是在铁磁已经被饱和之后使其磁化返回到零所需要的磁场。例如，用耦接到具有高矫顽场铁磁薄膜的反铁磁薄膜交换可以形成钉扎电极304、314、324、334，使得其磁化方位能够被钉扎，以至于基本上不受外部施加磁场运动影响。相反，可以用软磁材料形成感测电极302、312、322、332，以便提供具有比较低矫顽力的不同各向异性轴，使得感测电极的磁化方位(以其对齐的无论什么方向)可以由外部施加磁场的运动改变。在选定的实施例中，钉扎电极的矫顽场的幅度比感测电极的幅度大约大两个数量级，尽管可以通过使用众所周知的技术改变电极的成分和/或钉扎强度调整其各自矫顽场而使用不同的比率。

正如图3所示，在MTJ传感器中形成钉扎电极304、314、324、334，以在钉扎电极层304、314、324、334的平面中具有第一示范各向异性轴对齐(由指向附图3顶部的矢量箭头标识)。正如本文介绍，可以使用钉扎电极的形状各向异性获得钉扎电极的各向异性轴对齐，在此情况下，钉扎电极304、314、324、334形状的每一个在对于单层钉扎磁性堆的“上”矢量箭头方向上都将更长。作为补充或替代，通过在出现的饱和磁场中形成一层或多层磁层，可以获得钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴对齐，可以获得钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴对齐，饱和磁场随后或并发地被退火然后冷却，使得钉扎电极层的磁场方向被设定在饱和磁场的方向上。正如应当认识到，钉扎电极304、314、324、334各向异性轴对齐的形成必须与形成包括具有截然不同的各向异性轴对齐的钉扎电极的任何其他场传感器所用的制作步骤以及形成具有截然不同的各向异性轴对齐的任何感测电极所用的任何制作步骤协调。

所描绘的场传感器300还包括MTJ传感器301、321，其中形成感测电极302、322，以具有与钉扎电极的各向异性轴偏离第一偏转角的示范各向异性轴(由指向左侧的矢量箭头标识)。此外，所描绘的场传感器300包括MTJ传感器311、331，其中形成的感测电极312、332具有与钉扎电极的各向异性轴偏离第二偏转角的示范各向异性轴(由指向右侧的矢量箭头标识)，该第二偏转角与第一偏转角相等但是相反。在特定实施例中，第一偏转角与第二偏转角垂直，使得感测电极302、322的各向异性轴关于钉扎电极的各向异性轴旋转负45度，以及使得感测电极312、332的各向异性轴关于钉扎电极的各向异性轴旋转正45度。

正如应当认识到，可以形成MTJ传感器301、311、321、331以具有一致的结构，在标准的惠斯通电桥电路配置中由金属互连如图所示与所示电桥电路的供电端子341、343以及输出信号端子342、344都串联。通过串联连接惠斯通电桥电路中的无屏蔽MTJ传感器301、311、321、331，场传感器300检测外部施加磁场的水平方向(图3中左到右)分量，从而形成X轴传感器电桥。确切地说，水平场分量会与感测电极312、332的磁化偏转不同地使感测电极302、322的磁化偏转，而产生的传感器电导/电阻差异会量化水平场分量的强度。尽管未显示，但是以惠斯通电桥电路配置中连接的无屏蔽MTJ传感器也可以形成Y轴传感器电桥电路，尽管在Y轴传感器电桥电路中的钉扎电极的各向异性轴会与在X轴传感器电桥中的钉扎电极304、314、324、334的各向异性轴垂直。这些传感器(或电桥臂)301、311、321、331的每一个都可以表示为提高***的整体SNR而协同工作的感测元件的阵列。

由感测层中边缘粗糙或小的局部不均匀性或者无数其他来源，引起的磁感测元件的局部磁矩的方位与弱局部磁化钉扎可能略微不同，这样的磁感测元件中的不同区域产生微磁畴的巴克豪森噪声、零星的去钉扎、跳跃，弱磁场传感器容易受到它们的影响。在精确地测量地球磁场的角分辨率时，这样的噪声可能引入误差。施加场时，这些微磁畴可能以连续的方式反转，而不是所期望的感测元件的一致旋转。针对这样的噪声的若干先前尝试已经在感测层中使用硬磁偏置层以钉扎该器件的末端。不过，硬偏置层可能降低传感器的灵敏度，并且具有要求附加的加工层、蚀刻步骤和退火步骤的其他缺点。

为了解决巴克豪森噪声问题，在进行测量之前可以沿着感测元件的易磁化轴选择性地施加磁场。在选定的实施例中，磁场被作为短暂的场脉冲施加，它足以恢复感测元件的磁化状态，并且去除了可能作为暴露于强场的结果已经显现的微磁畴。在示例实施中，对传感器施加场脉冲以去除该感测元件中亚稳态的钉扎域，其中场脉冲具有阈值场强度(如近似40Oe以上)和最小的脉冲持续时间(如近似2-100纳秒)。通过如罗盘应用所要求的以预定的测量周期(如10Hz)施加这样的场脉冲，最终场脉冲具有极低的占空比和最小的功耗。此外，通过在测量之前停止场脉冲，在测量期间对感测元件没有施加额外的场，产生最大的灵敏度。作为替代，在传感器测量期间通过同一复位线路可以施加弱得多的稳定场，最低限度地影响灵敏度，但是促进了感测元件磁化的清晰的一致旋转。另外，为了计算稳定和复位场的最佳方向和幅度，可以考虑由磁感测元件在容纳传感器的设备内强加的场。

为了展示可以如何向感测元件施加场脉冲的示例，现在参考图4，它显示了第一MTJ传感器410和第二MTJ传感器420的局部示意透视图，每个都包括磁场发生器结构414、424，用于在感测操作之前或期间复位或稳定感测层411、421。每个MTJ传感器都可以如图4所示地构建，其中感测层的磁化方向确定磁场发生器结构的方位。确切地说，每个MTJ传感器一般都包括上部铁磁层411、421、下部铁磁层413、423以及在两个铁磁层之间的隧道阻挡层412、422。在这个示例中，可以形成上部铁磁层411、421，使其厚度在10到10000埃的范围内，而在选定实施例中在10到100埃的范围内，并且用作感测层或自由磁化层，因为其磁化方向能够由外部施加场比如地球磁场的存在而偏转。至于下部铁磁层413、423，其形成的厚度可以在10到2000埃的范围内，而在选定实施例中在10到100埃的范围，并且用作固定或钉扎磁化层，此时其磁化方向在一个方向钉扎，在正常操作条件期间该方向不改变磁化方位的方向。正如以上介绍，通过形成具有相同磁化方向(未显示)的下部钉扎层413、423，以及形成上部感测层411中的磁化方向415与上部感测层421中的磁化方向425正交，使得磁化方向415、425与下部钉扎层413、423的磁化方向被相等但方向相反地定向，可以使用第一MTJ传感器410和第二MTJ传感器420来构建差动传感器。

为了恢复能够被磁畴结构扭曲的上部感测层411、421的原始磁化，图4描绘了在每个传感器下面形成的磁场发生器结构414、424。在选定实施例中，磁场发生器结构414、424作为电流导线形成，被定向成使产生的磁场脉冲与上部感测层411、421中的磁化方向415、425对齐。例如，当电流脉冲以由箭头416指示的方向流经第一MTJ传感器410下面的磁场发生器结构414时，产生的场脉冲与第一MTJ传感器410中感测元件411的易磁化轴415对齐。不过，由于第二MTJ传感器420具有带有不同磁化方向425的感测层421，所以磁场发生器结构424被定向成使得当电流脉冲以由箭头426指示的方向流经磁场发生器结构424时，产生的场脉冲与第二MTJ传感器420中感测元件421的易磁化轴425对齐。

现在将参照若干附图详细地介绍本发明的多个展示性实施例。虽然在以下说明中阐述了多个细节，但是应当认识到没有这些具体细节也可以实践本发明，并且可以对本文介绍的本发明进行无数的具体实施决策以实现器件设计者的具体目标，比如遵循随着不同实施而不同工艺技术或设计相关的约束。虽然这样的开发努力或许复杂而耗时，然而对于受益于本公开的本领域的普通技术人员将是承担的例行公事。此外，为了避免限制或模糊本发明，参考不包括每个器件特征或几何形态的简化剖面图来描述若干选择的方面。还应当注意，在本具体实施方式的自始至终，本文可能没有详细地介绍与集成电路器件的磁传感器设计和操作、磁阻式随机存取存储器(MRAM)设计、MRAM操作、半导体器件制造和其他方面有关的常规技术和特征。虽然作为现有的MRAM制作过程的一部分为了制作集成电路传感器将形成和除去某些材料，但是以下没有详细介绍形成或除去这样的材料的具体过程，因为这样的细节众所周知并且被视为对于教导本领域的技术人员如何作出或使用本发明不必要。不仅如此，在本文包含的多幅图中所示的电路/组件布局和配置意在表示本发明的示范实施例。应当注意，在实际实施例中可以出现许多替代或补充电路/组件布局。

使用如下的已知光刻工艺可以制作本文介绍的示范实施例。集成电路、微电子器件、微机电器件、微流体器件和光子器件的制作涉及创建以某种方式相互作用的几层材料。这些层的一层或多层可以被图案化为使得该层的多个区域具有不同的电气或其他特征，它们可以在该层内互连或者连接到其他层以创建电气组件和电路。通过选择性地引入或除掉多种材料可以创建这些区域。定义这样区域的图案往往通过光刻工艺创建。例如，在覆盖着晶片基底的层上涂布一层光致抗蚀剂材料。由某种形式的辐射比如紫外线光、电子或x射线使光掩膜(包含清澈和不透明区域)用于选择性地暴露这种光致抗蚀剂材料。通过施加显影剂除掉或者暴露于辐射或者未暴露于辐射的光致抗蚀剂材料。然后可以对不受剩余抗蚀剂保护的层施加蚀刻，并且当除掉抗蚀剂时，覆盖着基底的层被图案化。作为替代，也可以使用附加工艺，如使用光致抗蚀剂作为模板来建立结构。

在图5中也可以看到场脉冲和易磁化轴方向的相对对齐，它描绘了集成电路器件的局部剖面图，其中图4所示的第一和第二MTJ传感器形成为使感测层411、421具有不同磁化方向。确切地说，左侧的剖面图显示了从图4透视图5A中看到的第一MTJ传感器410，而右侧的剖面图显示了从图4透视图5B中看到的第二MTJ传感器420。第一MTJ传感器410在基底430上形成，而第二MTJ传感器420在基底440上形成，基底430、440可以具有嵌入在其中的有效电路431、441。在基底上，可以形成一个或多个电路层432、442，然后形成绝缘层433、443，其中嵌入了导电线路414、424以形成磁场发生器结构。正如图5所示，在第一MTJ传感器410中形成导电线路414以从图5的图平面中出来的方向传送电流，而在第二MTJ传感器420中形成导电线路414以传送在图上从右到左运行的电流。在嵌入的导电线路之上，在绝缘层435中形成第一MTJ核，在绝缘层445中形成第二MTJ核。确切地说，第一MTJ传感器410中的第一MTJ核包括至少部分嵌入在绝缘层435中的第一导电线路434、下部钉扎铁磁层413、隧道阻挡层412、具有从右到左定向的磁化方向415的上部感测铁磁层411以及其上形成另外的电介质层437的第二导电线路436。第一导电层434通过导孔结构439连接到底部接触层438。此外，第二MTJ传感器420中的第二MTJ核包括至少部分嵌入在绝缘层445中的第一导电线路444、下部钉扎铁磁层423、隧道阻挡层422、具有定向为进入到图5的图平面中的磁化方向425的上部感测铁磁层421以及其上形成另外的电介质层447的第二导电线路446。为了连接第一MTJ传感器410和第二MTJ传感器420，在第二MTJ传感器420中的第一导电层444通过导孔结构(未显示)连接到与嵌入的导电线路424在同一水平面的底部接触层(未显示)，它又通过一个或多个导孔和导电层连接到来自第一MTJ传感器410的第二导电线路436。利用所描述的配置，通过嵌入导电线路414的电流脉冲将产生与感测元件411的易磁化轴415对齐的磁场脉冲417，而通过嵌入导电线路424的电流脉冲将在感测元件421(未显示)的区域中产生与感测元件421的易磁化轴425对齐的磁场脉冲。

下部钉扎铁磁层和钉扎反铁磁层413、423可以是某种材料，例如铱锰、铂锰、钴铁、钴铁硼、镍铁、钌等或其任何组合。隧道阻挡层412、422可以是绝缘材料，例如氧化铝或氧化锰。上部铁磁层411、421可以是某铁磁材料，例如镍铁、钴铁、钴铁硼、钌等。磁场发生器结构414、424可以是铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等，而导电线路一般可以是例如铝、铜、钽、氮化钽、钛、氮化钛等。

通过形成具有正交磁性方位的感测层411、421，每个方位都与钉扎层413、423的磁化方向均等地不同，第一MTJ传感器410和第二MTJ传感器420可以一起制作在单块集成电路上作为差动传感器的一部分。在示例工艺流程中，制作工艺的第一步骤是提供由电介质基层(未显示)覆盖的单块集成电路芯片基底。在电介质基层之上，使用公知的沉积、图案化和蚀刻工艺形成磁场发生器结构414、424作为导电材料的嵌入线路，使得磁场发生器结构414、424被对齐和布置在传感器410、420之下并且嵌入在绝缘层(未显示)中。通过沉积第一导电层(蚀刻之后用作导电线路434)、一层或多层下部铁磁层(蚀刻之后用作下部钉扎铁磁层413)、一层或多层电介质层(蚀刻之后用作隧道阻挡层412)、一层或多层上部铁磁层(蚀刻之后用作上部感测铁磁层411)以及第二导电层(蚀刻之后用作导电线路436)，在绝缘层上顺序地形成传感器叠层。

虽然各个铁磁层的每一个都可以在存在磁场时沉积和加热，以便感应期望的磁化方位，但是也可以使用形状各向异性技术对不同铁磁层实现所要求的磁化方位。所以，以图案化蚀刻工艺的序列选择性地蚀刻传感器叠层，以界定在MTJ传感器410、420中的钉扎和感测层。在第一蚀刻序列中，通过使用图案化光致抗蚀剂以形成第一图案化硬掩模，然后执行选择性的蚀刻工艺(如反应离子蚀刻)以便去除全部无屏蔽层直到并包括无屏蔽的下部铁磁层，不同钉扎层413、423的形状从下部铁磁层界定。蚀刻后的下部铁磁层的最终形状被定向为使得每个钉扎层都具有形状各向异性，产生了沿着其轴之一的优选磁化方位。除了形成长而窄的形状外，也可以提供其他形状的钉扎层末端，使得钉扎层的每层在磁化设置过程期间表现得更像单个磁畴。使用形状各向异性，可以使成形的钉扎层413、423退火以便设置其对应的钉扎方向。

在制作工艺的这一点上，上部铁磁层将已经被选择性地蚀刻，在第一图案化硬掩模之下留下剩余部分使得上部和下部铁磁层具有相同的形状。不过，感测层的最终形状将小于在下面的钉扎层，所以使用第二蚀刻序列从上部铁磁层的剩余部分中界定不同感测层411、421的最终形状。在第二蚀刻序列中，使用另一种光致抗蚀剂图案在将形成感测层的剩余上部铁磁层的若干部分之上形成图案化硬掩模。当使用选择性蚀刻工艺(如反应离子蚀刻)去除全部无屏蔽层直到并包括无屏蔽的上部铁磁层411、421时，选择该图案为感测层界定纵横比高的形状。在选定的实施例中，选择性蚀刻工艺可以让下面已成形的钉扎层413、423保持原样，尽管在其他实施例中，选择性蚀刻工艺还蚀刻了下面已成形的钉扎层413、423的无屏蔽部分。定向感测层的所界定的纵横比高的形状使感测层411在期望磁化415的维度上比其宽度更长，同时感测层421在期望磁化425的维度上比其宽度更长。换言之，沿着单个铁磁感测层的期望磁化方向绘制每个感测层的长轴。除了形成为长而窄的形状之外，也可以提供感测层411、421末端的另外形状，使得每个感测层表现得更像单个磁畴。例如，感测层的形状可以为尖端，在感测层的期望易磁化轴对应方向上逐渐变细。一旦形成已成形的感测层，通过在没有磁场情况下使晶片短暂退火(如在近似250摄氏度的退火温度)可以从其形状各向异性感应所期望的易磁化轴磁化方位，以便去除材料的扩散。冷却后，感测层411、421的磁化与各个图案对齐，提供了感测层的多个方位。

通过控制流经磁场发生器结构414、424的电流的幅度、方向和时间，以便在恰好使用传感器410、420进行场测量之前产生场脉冲，感测层411、421以保持高灵敏度和功耗最低的方式，在每次测量前准备好。虽然以下将介绍对于来自容纳磁传感器的设备的外部磁场的幅度和方向自适应地调整的改进方法，但是图6至图8演示了在感测元件的外部磁场弱或没有时选择性地施加磁场的益处。从图6开始，提供了对传感器不施加稳定场时，磁阻对所施加场的示例图。没有稳定场，微磁畴的跳跃使传递曲线60在施加场扫过时磁阻中具有零星的、不可预测的跳跃(也称为巴克豪森噪声)。通过施加与感测元件的易磁化轴对齐的弱稳定场可以防止这种噪声。例如，图7提供了施加15Oe的易磁化轴稳定场作为对传感器的稳态场时磁阻对所施加场的示例图。正如图7的曲线图所示，已经消除了微磁畴的跳跃。结果，在这个示例中的传递曲线70包括高达近似20Oe的施加场的线性特征域71。作为补充或作为替代，可以施加场脉冲以进一步改进传递曲线，正如图8所示，它提供了向传感器施加脉冲稳定场时磁阻对所施加场的示例图。确切地说，通过恰好在传感器处执行场测量之前，以一序列场扫描沿着其易磁化轴短暂地脉动传感器元件，以从-5Oe到5Oe的第一扫描开始，然后执行从-10Oe到10Oe的第二扫描，依此类推，来获得传递曲线80。最终传递曲线80包括线性特征81的区域，高达至少近似20Oe的施加场。此外，传递曲线80指明当这个传感器暴露于高于近似40Oe的难磁化轴场时，可能产生不良性能。更一般地陈述，以任意方向施加的强场可能把感测元件置于不利的状态，而沿着传感器易磁化轴施加的场脉冲足以从感测元件中除去磁畴结构。

在实际部署中，磁场发生器结构414、424从使电桥臂互连所需的同一层形成，从而不产生额外的加工步骤。此外，磁场发生器结构414、424的每一个都可以从被放置在每个具有适当方位的MTJ传感器下方经过的单个导电元件构造，从而以单个电流脉冲产生贯穿该芯片的场脉冲。虽然在实际部署中，为了信噪比(SNR)最高，每条电桥臂都将包括感测元件的阵列，但是图9展示了单个感测元件实施的简化示例，它提供了标线布局的示意俯视或平面图，显示了以多个串联MTJ传感器921、922、923、924形成的差动传感器900，被配置在具有关于MTJ传感器放置的磁场发生器结构920的惠斯通电桥电路中。所描绘的差动传感器包括四个钉扎层901、902、903、904，每一个都具有相同的磁化方向(如以y方向的钉扎轴)，正如每个钉扎层上的大的矢量箭头所示。虽然钉扎层901、902、903、904可以使用其形状各向异性(如图9表明)形成，但是它们也可以使用传统的场退火工艺形成。

图9还显示了以磁化方向与垂直成45度定向的感测层911、914形成的差动传感器中的两个MTJ传感器或传感器阵列921、924，正如以指向感测层911、914右侧的易磁化轴矢量所示。另两个MTJ传感器902、903以磁化方向与垂直成负45度定向的感测层912、913形成，正如以指向感测层912、913左侧的易磁化轴矢量所示。虽然任何所期望的技术都可以用于形成具有不同磁化方向的感测层，但是本发明的选定实施例使用形状各向异性技术使感测元件911、914定形，使磁化方向(或易磁化轴)与垂直成预定的偏转角而定向，以及使感测元件912、913定形，使磁化方向(或易磁化轴)与垂直成负向预定的偏转角而定向。以这种方式，感测元件911、914的磁化方向和感测元件912、913的磁化方向从钉扎层901、902、903、904的磁化方向在相反方向上均等地偏离。

所描绘的差动传感器900还包括形成在MTJ传感器921、922、923、924下方的磁场发生器结构920，以选择性地产生磁场以稳定或恢复感测层911、912、913、914的磁场。在选定的实施例中，磁场发生器结构920形成为被布置成在感测层911、912、913、914下方传送电流的单个导电线路，电流方向垂直于感测层的易磁化轴方位，使得由该电流产生的磁场与易磁化轴对齐。因此导电线路920在第四MTJ传感器924之下形成以产生与感测元件914的易磁化轴对齐的磁场。此外，将导电线路920定向在第二MTJ传感器922和第三MTJ传感器923下方产生了与感测元件912、913的易磁化轴对齐的磁场。最后，在第一MTJ传感器921之下形成导电线路920以便产生与感测元件911的易磁化轴对齐的磁场。

参考图10，磁场传感器100以第一差动传感器101、第二差动传感器111和第三差动传感器121形成，用于检测分别沿着第一轴120(如y轴方向)、第二轴110(如x轴方向)和第三轴130(如z轴方向)施加场的分量方向。z轴方向按照进出图10所在的页面被表示为点和十字线。美国专利申请12/433,679中详细地介绍了第一传感器101和第二传感器111的示范实施例。正如本文描述，每个传感器101、111、121都以连接在电桥配置中的无屏蔽感测元件形成。因此，第一传感器101在对应的多个钉扎层106-109之上从电桥配置中的多个感测元件102、103、104、105的连接中形成，其中每个钉扎层106、107、108、109都在x轴方向被磁化。以类似方式，第二传感器111在对应的多个钉扎层116、117、118、119之上从电桥配置中的多个感测元件112、113、114、115的连接中形成，每个钉扎层都在y轴方向被磁化，垂直于钉扎层106、107、108、109的磁化方向。不仅如此，与第一传感器101和第二传感器111在同一平面中的第三传感器121在对应的多个钉扎层126、127、128、129之上从电桥配置中的多个感测元件122、123、124、125的连接中形成，多个钉扎层126、127、128、129中的每个都在xy轴方向被磁化，可以为了磁化设置过程被最佳地定向成与钉扎层106、107、108、109和116、117、118、119的磁化方向成45度。在其他实施例中，为了使完成的三轴传感器产品晶片的布局最优(最小)，第三(121)传感器的基准层方向可以沿着或者x轴或者y轴定向。在所描绘的电桥配置101中，形成的感测元件102、104具有第一易磁化轴磁化方向，而形成的感测元件103、105具有第二易磁化轴磁化方向，其中第一和第二易磁化轴磁化方向关于彼此正交，并且与钉扎层106、107、108、109的磁化方向均等不同地被定向。至于第二电桥配置111，感测元件112、114具有的第一易磁化轴磁化方向与感测元件113、115的第二易磁化轴磁化方向正交，使得第一和第二易磁化轴磁化方向与钉扎层116、117、118、119的磁化方向均等不同地被定向。在第三电桥配置121中，感测元件122、123、124和125都具有与钉扎层126、127、128和129的钉扎磁化方向正交的易磁化轴磁化方向。第三电桥配置121进一步包括分别位于感测元件122、123、124、125右边缘附近的通量导板132、133、134、135，以及位于感测元件122、123、124、125左边缘附近的通量导板136、137、138、139。通量导板132、137、134和139位于感测元件122、123、124、125之上，而通量导板136、133、138和135位于感测元件122、123、124、125之下。图11随后更详细地介绍了这些通量导板132、133、134、135、136、137、138、139的定位。在选定的实施例中，通量导板可以仅仅使用一个平面；也就是可以仅仅出现导板136、133、138和135，或者导板132、137、134和139。在所描绘的传感器101、111、121中，对感测元件不需要屏蔽，也不需要任何特殊的参照元件。在示范实施例中，这通过以下方式来实现：对于x和y传感器，使用形状各向异性技术使每个有效感测元件(如102、104)以另一个有效感测元件(如103、105)为参照，以建立彼此偏转90度的参照感测元件的易磁化轴，以及对于Z传感器参照以相反方式响应在Z方向上施加场的感测元件。下面将更详细地介绍Z传感器的参照。图10所示的配置不需要获得图11中更详细介绍的第三传感器121的益处，其仅仅作为示例给出。

仍然参考图10，通过正交对齐地放置第一传感器101和第二传感器111，每个传感器带有的感测元件方位都与传感器的钉扎方向均等地偏转，并且在每个传感器中彼此正交，传感器能够检测沿着第一轴和第二轴施加场的分量方向。通量导板132-139被放置在传感器121中，在元件122-125的对立边缘之上和之下，以非对称方式在臂141、143和臂142、144之间。由于通量导板132、134被放置在感测元件122、124之上，来自Z场的磁通量可以由通量导板132和134引导到沿着右侧的xy平面中，并且使感测元件122和124的磁化向着更高阻抗以第一方向旋转。同样，来自Z场的磁通量可以由通量导板133和135引导到沿着感测元件右侧的xy平面中，并且使感测元件123和125的磁化向着更低阻抗以与第一方向相反的第二方向旋转，因为这些通量导板位于感测元件123、125之下。因此，传感器121能够检测出沿着第三轴施加场的分量方向。尽管在优选实施例中，通量导板在与场传感器的平面正交的平面中，但是如果通量导板与传感器的夹角不是精确的90度它们将仍然起作用。在其他实施例中，通量导板与场传感器之间的夹角可以在45度到135度的范围内，具有按照其他因素，比如易于制作选择的精确角度。

上述可见，磁场传感器可以从差动传感器101、111、121形成，差动传感器使用无屏蔽感测元件102-105、112-115和感测元件122-125，以所引导的磁通量连接在相应钉扎层或基准层106-109、116-119和126-129之上的电桥配置中，以检测所施加磁场的存在和方向。利用这种配置，磁场传感器提供了良好的灵敏度，并且也提供电桥配置的温度补偿特性。

可以把电桥电路101、111、121制作为现有MRAM或薄膜传感器制作工艺的一部分，仅有若干小调整以控制多个传感器层的磁化方位和通量引导结构的横断面。钉扎层106-109、116-119和126-129的每一层都可以用一层或多层下部铁磁层形成，并且感测元件102-105、112-115、122-125的每一个都可以用一层或多层上部铁磁层形成。绝缘隧道电介质层(未显示)可以被放置在感测元件102-105、112-115、122-125与钉扎层106-109、116-119和126-129之间。钉扎和感测电极是其磁化方向能够被对齐的期望的磁化材料。通常用于磁阻随机存取存储器(MRAM)器件和其他磁隧道结(MTJ)传感器器件的结构中的适合电极材料和材料布局在本领域中众所周知。例如，钉扎层106-109、116-119和126-129可以用一层或多层铁磁和反铁磁材料形成，组合厚度在10到范围内，而在选定实施例中在250到 范围内。在示范实施中，钉扎层106-109、116-119和126-129的每一层都以单个铁磁层和下面的反铁磁钉扎层形成。在另一个示范实施中，每个钉扎层106-109、116-119和126-129都包括合成的反铁磁叠层组件(如CF(钴铁)、钌(Ru)和CFB的叠层)，其厚度从20到以及近似厚的下伏反铁磁钉扎层。下部反铁磁钉扎材料可以是自恢复材料，比如IrMn，尽管能够使用其他材料比如PtMn，它们在合理的温度不容易自恢复。钉扎层106-109、116-119和126-129形成后用作固定或钉扎的磁层，此时其磁化方向被钉扎在正常操作状态期间不改变的一个方向。正如本文的公开，用于钉扎这些钉扎层106-109、116-119和126-129的材料的加热品质能够改变用于形成这些层的制作次序。

每个感测元件102-105、112-115、122-125之一与每个钉扎层106-109、116-119和126-129之一形成磁隧道结(MTJ)传感器。例如，对于电桥电路121，感测元件122与钉扎层126形成MTJ传感器141。同样，感测元件123与钉扎层127形成MTJ传感器142，感测元件124与钉扎层128形成MTJ传感器143，而感测元件125与钉扎层129形成MTJ传感器144。

钉扎层106-109、116-119和126-129可以用单个图案化的铁磁层形成，该铁磁层具有沿着被图案化的基准层的长轴对齐的磁化方向(由箭头表示)。不过，在其他实施例中，钉扎基准层可以用合成的反铁磁(SAF)层实现，该反铁磁层被用于使钉扎基准层的磁化沿着被图案化基准层的短轴对齐。正如应当认识到，SAF层可以与下伏反铁磁钉扎层组合地实现，尽管SAF结构具有提供足够强的磁化的适当几何形状和材料，但是可以不需要下伏反铁磁钉扎层，从而提供节省成本的更简单的制作工艺。

感测元件102-105、112-115、122-125可以用一层或多层铁磁材料形成，厚度在10到范围内，并且在选定实施例中在10到范围内。上部铁磁材料可以是软磁材料，比如NiFe、CoFe、Fe、CFB等。在每个MTJ传感器中，感测元件102-105、112-115、122-125都用作感测层或自由磁层，因为其磁化方向能够由存在的外部施加场偏转，比如大地磁场。最终形成时，感测元件102-105、112-115、122-125可以用单个铁磁层形成，该铁磁层具有沿着图案化形状的长轴对齐的磁化方向(由箭头表示)。

钉扎层106-109、116-119、126-129和感测元件102-105、112-115、122-125可以形成为具有不同的磁特性。例如，钉扎层106-109、116-119、126-129可以用耦合到铁磁薄膜的反铁磁薄膜交换层形成，以便形成具有高矫顽力和偏离磁滞曲线的层，使得其磁化方向将钉扎在一个方向，并且从而基本上不受外部施加磁场的影响。相反，感测元件102-105、112-115、122-125可以用软磁材料形成，以提供具有相对低各向异性和矫顽力的不同磁化方向，使得感测电极的磁化方向可以由外部施加磁场改变。在选定实施例中，钉扎场的强度比感测电极的各向异性场高大约两个数量级的幅度，尽管通过使用众所周知的技术改变其成分以调整电极的相应磁特性可以使用不同的比率。

MTJ传感器中的钉扎层106-109、116-119、126-129形成为具有在钉扎层106-109、116-119、126-129的平面中形状确定的磁化方向(对每个传感器电桥由图1中标注为“钉扎方向”的矢量箭头标识)。正如本文介绍，钉扎层106-109、116-119、126-129的磁化方向可以使用钉扎电极的形状各向异性获得，在此情况下钉扎层106-109、116-119、126-129中每一个的形状对于单个钉扎层在钉扎方向上可以更长。作为替代，对于钉扎SAF结构，基准和钉扎层沿着钉扎方向可以更短。确切地说，通过在与成形的钉扎层106-109、116-119、126-129的最长方位的轴非正交定向的定向磁场存在时首先加热成形的钉扎层106-109、116-119、126-129，使得施加的定向场包括在钉扎层106-109、116-119、126-129期望钉扎方向的方向上的场分量，可以获得钉扎层106-109、116-119、126-129的磁化方向。钉扎层的磁化方向至少暂时地在预定方向上对齐。不过，通过在这种处理期间适当地加热钉扎层，并且去除定向场，然后在钉扎反铁磁材料的相变温度以上进一步加热，钉扎层的磁化沿着成形的钉扎后钉扎层106-109、116-119、126-129方位的期望轴松弛。一旦磁化松弛了，钉扎层就能够退火和/或冷却使得钉扎电极层的磁场方向被设置在成形的钉扎层106-109、116-119、126-129的期望方向。

现在进一步描述传感器121(图10中)内的MTJ传感器(141-144)和通量导板放置。参考图11，第三电桥电路121的MTJ器件141-144的结构包括被划分为两个独立金属线路的覆层线路145-149，而另外的非通量引导覆层(161-168和191-198)被放置在内部边缘处这两个金属线路之间，全都形成在电介质材料140之内。对于传感器141、左金属线路148左边缘上的通量导板161把Z场通量引导到其左边的感测元件122中，而右金属线路145最右边缘上的通量导板192把Z场通量引导到其右边的感测元件122中。传感器142-144的功能类似，邻近每个感测元件的金属线路覆盖边缘用作有效通量引导功能。由于这些线路是分开的，所以可以使电流经过覆盖线路145、146、182和183进入页面，以及经过181、147、148和149从页面出来以便产生沿着覆盖线路边缘的磁场，Z分量指向一致的方向(在这个示例中向下)。这些电流方位可以用于产生在Z方向上具有强分量的磁场，其通过对几何形状的校准能够用作Z轴响应功能和灵敏度的自测。线路145-149、181-183优选情况下是铜线，但是在某些实施例中可以是电介质。金属稳定线路150被放置在MTJ器件141-144之上，以便向感测元件提供稳定场。可以使通量导板的末端尽可能地接近传感器元件，二者之间的优选间隔小于或等于250nm。为了最紧密度的阵列，使感测元件尽可能地接近，优选情况相隔小于2.5μn。

图12是由有限元仿真算出的图11的MTJ器件141、142的磁通线图，在感测元件122-123上给予了z方向上的磁场。FEM模拟显示了合成磁通线160，展现了在传感器平面中的分量。MTJ器件141由感测元件122对立端上的通量导板132和136表示。MTJ器件142由感测元件123对立端上的通量导板133和137表示。换言之，感测元件122从通量导板132和136延伸，而感测元件123从通量导板133和137延伸。在Z轴130上的磁场160在感测元件122、123中产生沿着X轴120的非对称响应，如由箭头170指示。以这种方式，对于在Z方向130指向页面底部的场160，感测元件122的磁化旋转离开钉扎层126的钉扎方向(并趋向更高电阻)，而感测元件123的磁化朝向钉扎层127的钉扎方向旋转(并趋向更低电阻)。对于在X方向120上的场，元件122、123都显示了同一方向上的感应磁化(趋向更高或更低的电阻)。所以，通过给用于差动测量的惠斯通电桥中的MTJ元件141、142配线，并且减去MTJ器件141、142的电阻，消除去X场的响应并且测量两倍Z场响应。

再次参考图11，自测线路145-149被实施为延伸到页面中(垂直于稳定线路150)的导电线路。例如，自测线路145(Cu填充的通量导板槽)被置于感测元件122之下。通过在复位期间(向稳定线路150施加复位电流的同时)施加经过自测线路145-149的电流，产生了难磁化轴的场。正如本领域众所周知，这种场与150表示的复位/稳定场在一起施加时，降低了用于切换每Stoner Wolforth星形线的易磁化轴的阈值，所以，能够有效地增加稳定或复位场的效果，也就是降低了稳定线路150发出的可以使感测元件复位的阈值场。自测线路可以在其他层中走线；如在通量导板或隧道结之上或之下，因此这种难磁化轴的辅助场可以来自经过若干线路而不是直接经过通量导板的电流。

参考图13，集成磁传感器1302的框图包括用于在X方向上感测磁场的惠斯通电桥1304、用于在Y方向上感测磁场的惠斯通电桥1306以及用于在Z方向上感测磁场的惠斯通电桥1308。虽然三个惠斯通电桥1304、1306、1308被显示为在三个维度上感测场，但是应当理解，可以形成仅仅一个惠斯通电桥在一个维度上感测场，也可以形成两个惠斯通电桥在两个维度上感测场。在三个维度上感测磁场的一个结构示例可以在12/567,496号美国专利申请中找到。惠斯通电桥1304包括第一多个磁感测元件1314，由第一组1324和第二组1334组成。同样，惠斯通电桥1306包括第一多个磁感测元件1316，由第一组1326和第二组1336组成，而惠斯通电桥1308包括第一多个磁感测元件1318，由第一组1328和第二组1338组成。虽然在每个惠斯通电桥1304、1306、1308中显示了两组，但是可以采用编号为二或更高的任何数量的组。例如，多个磁感测元件1314可以包括i个磁感测元件，多个磁感测元件1316可以包括j个磁感测元件，而多个磁感测元件1318可以包括k个磁感测元件。在多个磁感测元件1314、1316、1318的每个内的每个磁感测元件1320都包括磁感测元件，比如图4和图5的MTJ传感器410、420。写驱动器1325被配置为向组1324内的每个MTJ元件提供电流脉冲，而写驱动器1335被配置为随后向组1334内的每个MTJ元件提供电流脉冲。同样，写驱动器1327被配置为向组1326内的每个MTJ元件提供电流脉冲，而写驱动器1337被配置为向组1336内的每个MTJ元件提供电流脉冲，以及写驱动器1329被配置为向组1328内的每个MTJ元件提供连续的电流脉冲，而写驱动器1339被配置为向组1338内的每个MTJ元件提供连续的电流脉冲。

逻辑电路1341顺序地选择写驱动器1325、1335、1327、1337、1329、1339，顺序地分别向组1324、1334、1326、1336、1328、1338提供复位电流脉冲。由于通过把具有大电阻的复位电流线路划分为具有更小电阻的几个复位电流线段而提供了给定电压，所以可以向组1324、1334、1326、1336、1328、1338中的每组MTJ元件施加更大的电流。同样，复位脉冲将是连续的，并且在测量期间将施加更小的稳定电流。这种稳定电流将流经整条线路并用一致的稳定场稳定全部感测元件，因为电压高得足以在全线路电阻上供给所需要的稳定线路。这个实施例是优选的因为功耗最低并且稳定线路电阻的小差异将不会产生不同的稳定场。不过，对于比给定的这种稳定配置可获得的更高的SNR比，可以对并行阵列的不同子组施加稳定电流，允许给定传感器内附加稳定通路的可能性(从而感测元件阵列尺寸增大)。

逻辑电路1341在图14中进一步介绍并且包括状态译码器1402、复位电路1404和读电桥选择电路1406。输入信号1411和1412支配四个输出信号1413、1414、1415、1416之一。输出信号1413激活复位电路1404用于顺序地激活驱动器1325、1335、1327、1337、1329、1339的每一个。输出信号1114、1115、1116激活惠斯通电桥1304、1306、1308中每个的读序列。

参考图15还可以展示本文介绍的磁传感器的运行，它描述了磁场传感器运行方法的示范流程，它们没有通过感测外部磁场之前或者刚刚在其之后使磁感测元件复位而展现出微磁性结构。虽然介绍了两个电桥电路，但是应当理解可以采用任何数量的电桥电路。这种复位或初始化包括以下步骤：向放置在第一电桥电路内的第一组磁感测元件的每一个附近的第一复位线路施加1502第一电流脉冲，向放置在第一电桥电路内的第二组磁感测元件的每一个附近的第二复位线路施加1504第二电流脉冲，向放置在第二电桥电路内的第三组磁感测元件的每一个附近的第三复位线路施加1506第三电流脉冲，以及向放置在第二电桥电路内的第四组磁感测元件的每一个附近的第四复位线路施加1508第四电流脉冲。向稳定线路施加1510稳定电流。然后访问1512这些磁感测元件以测量外部场沿着磁感测元件每个传感器轴投影的值。

根据本文介绍的实施示范实施例的方法，图16是包括感测电路1602的框图，它连接到多个磁感测元件1604用于感测外部磁场。逻辑电路1606被连接到感测电路1602以确定外部磁场的分量，该分量与电流流经复位/稳定电流线路1610时产生的场对齐。电流供应电路1608响应逻辑电路1606，向邻近磁感测元件1604的电流线路1610供给复位和稳定电流。

由于复位和稳定场主要沿着磁感测元件的易磁化(长)轴作用，以便为了测量而使感测元件适当地定向和稳定，但是感测元件的磁化响应沿着感测元件难磁化(短)轴的场从易磁化轴偏转，单轴传感器无法独立地确定在实现恰当净稳定和复位场时需要考虑的场分量。所以采用了双轴传感器，其中正交轴确定外部场沿着给定感测轴的难磁化轴的分量。例如由Y轴传感器测出的场用于测量外部场分量，并且确定在X轴传感器运行时可以向其供应的最佳稳定和复位场。同样，X轴传感器信号用于确定测量期间最佳地运行Y轴传感器所需要的稳定和复位场。在感测元件易磁化轴与基准层磁化角之间非正交偏离的情况下，可以采用从每个X和Y轴的测量结果组合以确定最佳稳定和复位场，因为对于沿着单轴的检测在给定传感器电桥内存在着不同的非正交感测元件方位时，X或Y场分别在Y或X传感器的感测元件上的投影为非零。在这种情况下，对于给定轴内不同方位的元件复位和稳定电流可以是不同的值。对于从平面场向外对应的传感器(Z轴传感器)感测元件自身以平面内场稳定化，所以它是外部场沿着感测元件易磁化轴的平面内分量，为了传感器运行必须将其优化。因此，来自X传感器、Y传感器或其某种组合的信号用于确定在测量期间对于Z轴运行的最佳稳定和复位场。

参考图17，采用感测元件易磁化轴与基准层磁化角之间的非正交偏离对磁传感器的复位和稳定化控制的第一示范方法包括：对第一电桥中的第一多个磁感测元件施加1702默认的复位场脉冲，对第一电桥的第一多个磁感测元件施加1704默认稳定场，沿着第二电桥中的钉扎层磁化方向检测1706外部场分量，正如由第一电桥的磁感测分量所感测。测出值被用于改变默认的稳定电流和复位电流脉冲，它们对沿着不同感测轴检测场分量的第二电桥进行操作。如果外部场分量与第二电桥中的钉扎层的磁化方向对齐并且大于阈值(逼近感测元件的各向异性)，默认复位场脉冲的方向被反转1708并且稳定场以原始幅度施加。复位场脉冲被发出并以默认稳定场取得1710外部场的测量结果。从离钉扎层磁化近似135度的其原始设计方向反转感测元件方位降低了灵敏度，但是也降低了横轴影响并允许低功率的测量。如果测出的外部场分量与第二电桥中钉扎层的磁化对齐，大于默认稳定场但是小于大约一半的感测元件各向异性，对于第二电桥的默认复位场脉冲和默认稳定场都被增大1712，但是保持着相同极性，与钉扎层磁化相反。现在用新确定的复位场脉冲和稳定场振幅以第二电桥取得1710测量结果。这压制了横轴影响，保持传感器在更高灵敏度状态，但是使用更大功率进行测量。如果外部场分量与第二电桥中的钉扎层磁化对齐，并且低于大约一半的默认稳定场，或者与第二电桥中钉扎层磁化相反但是小于大约75％的默认稳定场，对于以第二电桥测量使用1714默认稳定化值。如果测出的外部场分量与第二电桥中钉扎层的磁化相反，但是在默认稳定场的大约75％与默认稳定场的大约175％之间，在以第二电桥测量期间默认的复位场脉冲极性被保持在默认方向，并且稳定场可以被关闭1716。然后外部场用作稳定场。这允许更高灵敏度和更低功率的测量。如果测出的外部场分量与第二电桥中钉扎层的磁化相反，但是大于大约175％的默认稳定场，那么默认稳定场极性被反转1718，部分地抵消外部场分量并以最高灵敏度运行该传感器。对于多轴***，每个感测轴的运行条件都可以取决于外部场在每个轴的初始稳定场的投影独立地确定。最佳传感器复位和稳定化配置的这种确定仅仅需要偶尔发生──也许罕见到在把传感器已经集成到最终***(蜂窝电话、GPS、照相机等)中之后仅仅发生一次。

第二示范方法(图18)应用于在感测元件易磁化轴与基准层轴之间90度方位的传感器，包括施加1802第一复位场脉冲使沿着第一轴测量该场的第一电桥中的感测元件定向，对第一电桥中的多个磁感测元件施加1804第一稳定场，以及确定1806外部场沿着第二电桥中的感测元件磁化方向(易磁化轴)的投影，正如由第一电桥的感测元件所感测。测出值被用于改变默认的第二稳定电流和复位电流脉冲，它们对沿着不同感测轴检测场分量的第二电桥进行操作。如果外部场分量沿着感测元件磁化方向的投影为负，复位场脉冲的极性被设置为反转1808该磁化方向。如果外部场分量的幅度大于大约175％的默认稳定场，使第二传感器的稳定场来源于1810外部场分量的相反方向，以便减少作用在感测元件上的净磁场，从而提高传感器灵敏度。如果外部场分量的幅度在默认稳定场的大约75％与175％之间，稳定场在测量期间被关闭1814，允许外部场用作稳定场，从而降低传感器的功耗并使灵敏度提高到稳定场被保持不变时可能会有的灵敏度以上。如果外部场分量的幅度小于大约75％的默认稳定场，在与外部场同一方向上施加1816稳定场，以确保足够的稳定场在线性传感器操作时存在。一旦确定复位场脉冲和稳定场的极性，随后用新确定的复位场脉冲使感测元件复位，并且施加先前确定的稳定场的值，以至于在最佳条件下取得传感器测量结果。对于多轴***，每个感测轴的运行条件都可以取决于外部场在每个轴的初始稳定场的投影独立地确定。最佳传感器复位和稳定化配置的这种确定仅仅需要偶尔发生──也许罕见到在把传感器已经集成到最终***(蜂窝电话、GPS、照相机等)中之后仅仅发生一次。

作为替代，可以采用稳定电流和复位脉冲高度的连续调整。在这种情况下，预定的最佳净稳定场──外部场与从芯片稳定电流线路上可以提供的局部稳定场的组合──可以把最佳传感器响应作为目标。操作期间所施加的稳定电流对每个轴都可以在某范围的自始至终连续地调整，使得在感测元件阵列处的净稳定场是所期望的预定值。同样，复位场脉冲可以连续地调整，使得净复位场实现预定值。

参考图19，第三示范方法包括对第一电桥的多个磁感测元件施加1902稳定场，以及在第二电桥的磁感测元件的易磁化轴方向上检测1904外部场分量。如果外部场分量高于阈值，通过施加复位场脉冲同时施加源自与第二电桥的感测元件的复位线路方位成某角度(优选与其正交)走线的电流运送线路的难磁化轴场，对第二电桥的磁感测元件的切换阈值通过使第二电桥的磁感测元件复位1906而降低。

在又一个示范实施例中，以具有多个磁感测元件的多轴磁场传感器测量周围磁场的方法包括使用向磁感测元件施加的第一多个复位场脉冲和第一多个稳定场的默认幅度来执行初始测量；根据初始测量结果确定第二多个复位场脉冲和第二多个稳定场的调整幅度；在施加对磁感测元件施加的第二多个复位场脉冲和第二多个稳定场的调整幅度的同时执行第二测量；以及提供表示第二测量响应的输出信号。

在上述示范方法中，对第一电桥施加第一复位场和第一稳定场被描述为使第一电桥中的感测元件定向和稳定化。它们是为了对沿着第一轴的外部场分量提供更准确的确定。不过，这些步骤能够是可选的。

到如今，应当认识到已经提供了磁场传感器的装置和操作基底上多个差动传感器电路的方法，检测沿着一个或多个轴指向的施加磁场。差动传感器电路可以被构建为以每层都在单钉扎方向上磁化的多层钉扎层以及对应的多层无屏蔽感测层形成的无屏蔽磁隧道结(MTJ)传感器的若干惠斯通电桥结构，对要感测的每个轴都有一个电桥结构。为了使与复位和稳定场冲突的外部场的影响无效，对邻近磁感测元件的电流线路施加第一稳定电流，并且测量与第一稳定电流产生的稳定场对齐的外部场分量。确定复位电流脉冲和第二稳定电流至少一个的幅度和方向(它分别产生复位场脉冲和第二稳定场)，当施加到磁感测元件时，在磁传感器的运行和外部场的测量期间，使这个总的所需的稳定场和复位场脉冲最小化。所以弱场传感器在固定的外部场运行点周围最佳地运行(具有最高的灵敏度和最低的功耗)。固定的外部场由传感器器件外壳中的其他组件(比如扬声器磁铁)产生，关于描述方位的弱(地球)磁场它们具有强而且是静态的场。

尽管本文公开的所描述示范实施例针对多种传感器结构及其制作方法，但是本发明未必限于展示了本发明的若干发明方面，适用于范围广泛的半导体工艺和/或器件的这些示例实施例。因此，以上公开的特定实施例仅仅是展示性的，不应当作为对本发明的限制，因为本发明可以被修改和以不同但是等效的方式实践，对于受益于本文教导的本领域技术人员显而易见。例如，在传感器结构中感测和钉扎层的相对位置可以反转，使得钉扎层在顶部而感测层在下面。同样可以用不同于所公开的材料形成感测层和钉扎层。不仅如此，所描述层的厚度可以变化。所以，上述说明并非意在把本发明限制到阐述的特定形式，而是相反，意在覆盖这样的替代、修改和等效内容，因为可以将其包括在由附带权利要求书所界定的本发明的实质和范围之内，所以本领域技术人员应当理解，他们能够做出多种改变、替换和变种而不脱离以其最广泛形式的本发明的实质和范围。

以上关于特定实施例已经介绍了若干益处、其他优点和对问题的解决方案。不过，这些益处、优点和对问题的解决方案以及可以使任何益处、优点或解决方案发生或变得更显著的任何要素都不应当被视为任何或全部权利要求的关键的、必须的或本质的特征或要素。正如本文所用，术语“包括”意在覆盖非排他的蕴含，使得包括列出的若干元件的工艺、方法、物品或装置不仅仅包括这些元件，而是可以包括未明确列出的或者这样的工艺、方法、物品或装置固有的其他元件。

Claims (28)

1.一种由多个磁感测元件测量外部场的方法，所述方法包括：

提供第一复位场脉冲以定向第一组中的所述磁感测元件；

向所述第一组中的多个磁感测元件提供第一稳定场；

在由所述第一组中的磁感测元件感测的第一方向上检测外部场分量；

其中，所述第一方向是第二感测轴的基准层磁化方向和第二感测轴中所述磁感测元件的感测元件长轴中的一个；

确定以下至少一个的幅度：第二复位场脉冲和与默认稳定场相比的第二稳定场；

对第二组的磁感测元件施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加第二复位场脉冲，以及在利用第二组的感测元件测量所述外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定场；以及

利用所述第二组的磁感测元件测量所述外部场方向和幅度；

其中所述第一组中的某些或全部所述感测元件可以在所述第二组中。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且大于大约175％的所述默认稳定场或一半的感测元件各向异性其中之一，在与所述默认稳定场的方向相反的方向上施加所述第二复位场脉冲，以及施加与所述默认稳定场近似相同的所述第二稳定场。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定场相反的方向上施加所述第二复位场脉冲。

4.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于所述默认稳定场的大约75％，在与所述默认稳定场相反的方向上施加所述第二复位场脉冲，以及在所述相反方向上施加所述第二稳定场，但是幅度与所述默认稳定场大约相同。

5.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且大于大约175％的所述默认稳定场，在所述默认稳定场的方向上施加所述第二复位场脉冲，以及施加与所述默认稳定场幅度大约相同但是方向相反的第二稳定场。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定场相同的方向上施加所述复位场脉冲。

7.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且小于所述默认稳定场的大约75％，在与所述默认稳定场相同的方向上施加所述第二复位场脉冲，以及施加与所述默认稳定场大约相同的第二稳定场。

8.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约一半的所述感测元件各向异性，施加幅度大于默认复位场脉冲但是方向相同的所述第二复位场脉冲，以及施加幅度大于默认稳定场但是方向相同的第二稳定场。

9.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约50％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定场相同的方向上施加所述第二复位场脉冲，以及施加与所述默认稳定场近似相同的第二稳定场。

10.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤进一步包括：

响应所检测的外部场分量施加难磁化轴场，同时施加所述复位场脉冲。

11.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

通过所述磁感测元件相邻的电流线路施加第二稳定电流，所述电流的幅度由所检测的外部场分量确定。

12.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

调整所述第二稳定电流以将净稳定场设置为预定值，其中，所述净稳定场由所述第二稳定场和所述外部场组成。

13.根据权利要求1的方法，其中，所述施加步骤包括：

调整所述第二复位场脉冲以将净复位场脉冲设置为预定值，其中，所述净复位场脉冲由所述第二复位场脉冲和所述外部场组成。

14.一种由多个磁感测元件测量外部场的方法，所述方法包括：

向邻近第一组中每个所述磁感测元件的第一电流线路提供第一复位电流脉冲用于产生第一复位场脉冲；

向邻近第一组中每个所述磁感测元件的第一电流线路提供第一稳定电流用于产生第一稳定场；

在由耦接到所述第一组中的磁感测元件的电路感测的方向上确定外部场分量；

分别地确定第二复位电流脉冲和第二稳定电流的至少一个以产生第二复位场脉冲和第二稳定场，用于分别与默认复位场脉冲和默认稳定场相比施加到第二组感测元件；

对所述第二组感测元件施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加第二复位电流脉冲，或者在利用所述第二组磁感测元件测量外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定电流；以及

利用第二组中的磁感测元件测量所述外部场方向和幅度；

其中所述第一组中的某些或全部所述感测元件可以在所述第二组中。

15.根据权利要求14的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且大于大约175％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述第一稳定场近似相同的所述第二稳定电流；

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲；

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于所述默认稳定场的大约75％，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流方向相反但是幅度大约相同的第二稳定电流；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且大于大约175％的所述默认稳定场，在所述默认稳定电流的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流幅度近似相同但是方向相反的第二稳定电流；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲；以及

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且小于大约75％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流近似相同的第二稳定电流。

16.根据权利要求14的方法，其中，所述施加步骤包括：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且大于一半的感测元件各向异性，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述第一稳定电流大约相同的第二稳定电流；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且大于大约175％的所述默认稳定场，在所述默认稳定电流的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流幅度大约相同但是方向相反的所述第二稳定电流；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且小于大约75％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流大约相同的第二稳定电流；

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相反的方向并且在小于大约一半的所述感测元件各向异性与50％的所述默认稳定场之间，施加幅度更大但是与所述默认复位电流方向相同的所述第二复位电流脉冲，以及施加幅度更大但是与所述默认稳定电流方向相同的第二稳定电流；以及

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约50％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定场相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流近似相同的第二稳定电流。

17.一种磁场传感器，包括：

第一电桥电路和第二电桥电路，每个都包括被配置为感测外部场的多个磁感测元件，每个磁感测元件都具有轴；

邻近每个所述多个磁感测元件的电流线路；

第一电路，被配置为：

在所述电流线路上施加第一复位电流脉冲并且随后施加第一稳定电流；以及

测量由第一多个磁感测元件感测的所述外部场的幅度和方向，并且确定在所述轴的方向上所述外部场的分量；

第二电路，被配置为：

确定第二复位电流脉冲和第二稳定电流的至少一个的幅度和方向，分别用于产生与默认复位场脉冲和默认稳定场相比的第二复位场脉冲和第二稳定场；

对第二组多个磁感测元件施加以下至少一个：在测量外部场方向和幅度之前施加第二复位场脉冲，或者在测量所述外部场方向和幅度的同时施加所述第二稳定场；以及

测量所述外部场方向和幅度。

18.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且大于大约175％的所述默认稳定场或一半的感测元件各向异性其中之一，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述第一稳定场近似相同的第二稳定电流。

19.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲。

20.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约75％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定电流相反的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流方向相反但是幅度大约相同的第二稳定电流。

21.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且大于大约175％的所述默认稳定场，在所述默认稳定电流的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流幅度近似相同但是方向相反的第二稳定电流。

22.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且在大约75％至175％的所述默认稳定场之间，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲。

23.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在与所述默认稳定场相同的方向并且小于大约75％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定电流相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述初始稳定电流近似相同的第二稳定电流。

24.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约一半的所述感测元件各向异性，施加幅度更大但是与所述默认复位电流方向相同的所述第二复位电流脉冲，以及施加幅度更大但是与所述默认稳定电流方向相同的所述第二稳定电流。

25.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

如果所述外部场分量在所述默认稳定场的相反方向并且小于大约50％的所述默认稳定场，在与所述默认稳定场相同的方向上施加所述第二复位电流脉冲，以及施加与所述默认稳定电流近似相同的第二稳定电流。

26.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

响应所述外部场分量施加难磁化轴场，同时施加所述复位电流脉冲。

27.根据权利要求17的磁场传感器，其中，所述第二电路进一步被配置为：

通过所述磁感测元件相邻的电流线路施加第二稳定电流，所述电流的幅度和方向由所述外部场分量确定。

28.一种以具有多个磁感测元件的多轴磁场传感器测量周围磁场的方法，所述方法包括：

使用向所述磁感测元件施加的第一多个复位场脉冲和第一多个稳定场的默认幅度执行初始测量；

根据所述初始测量结果确定第二多个复位场脉冲和第二多个稳定场的调整幅度；

在施加对所述磁感测元件施加的所述第二多个复位场脉冲和所述第二多个稳定场的所述调整幅度的同时执行第二测量；以及

提供表示所述第二测量的响应的输出信号。