CN109633496A - 单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备 - Google Patents

单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备 Download PDF

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CN109633496A CN201811612027.0A CN201811612027A CN109633496A CN 109633496 A CN109633496 A CN 109633496A CN 201811612027 A CN201811612027 A CN 201811612027A CN 109633496 A CN109633496 A CN 109633496A
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曹志强
闫韶华
安琪
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赵巍胜
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Abstract

本申请实施例提供一种单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备。其中，单轴传感器包括：位于衬底上的第一惠斯通电桥包括两第一和两第二磁阻模块组；两第一磁阻模块组分别位于第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；两第二磁阻模块组分别位于第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；两第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与第一传感轴平行；第一夹角大于0°小于180°；第一磁阻模块和第二磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。本申请提供的技术方案可降低单轴磁场传感器制备工艺复杂度。

Description

单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备。
背景技术
磁场传感器主要用来检测磁场的存在、强弱、方向和变化等。除了直接测量磁场外，磁场传感器也为其他物理量的测量提供了广泛的解决方法，如电流、线位移、线速度、角位移、角速度、加速度等。目前已经应用的磁场传感器类型有霍尔(Hall)传感器，各向异性(AMR)传感器，巨磁阻(GMR)传感器，隧穿磁阻(TMR)传感器等。
目前，在制作单轴磁场传感器时，通常采用半惠斯通电桥结构。现有技术中，半惠斯通电桥的结构为：一相对桥臂上设置传感单元，另一相对桥臂上设置固定电阻。这样，无论外界磁场如何变化，设置固定电阻的那一相对桥臂的电阻值将保持不变。可见，现有技术中在制作半惠斯通电桥时，不仅要制作传感单元，还要制作固定电阻，制备工艺复杂，制备成本高。
发明内容
本申请提供一种单、双轴磁场传感器与其制备方法以及设备，以降低现有技术中单轴磁场传感器制备工艺复杂等问题。
于是，在本申请的一个实施例中，提供了一种单轴磁场传感器。该单轴磁场传感器，包括：衬底和位于所述衬底上的第一惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组和两第二磁阻模块组；其中，
所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；
所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
可选的，所述第一夹角大于80°且小于100°。
可选的，所述第一夹角为90°。
可选的，所述第一磁阻模块组中包括串联的两个所述第一磁阻模块；
所述第一磁阻模块的低阻态阻值与所述第二磁阻模块的低阻态阻值相等；
所述第一磁阻模块的高阻态阻值与所述第二磁阻模块的高阻态阻值相等。
可选的，所述第一磁阻模块由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；
所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；
所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；
其中，Q为正整数。
可选的，所述第二磁阻模块的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
在本申请的又一实施例中，提供了一种双轴磁场传感器。该双轴磁场传感器，包括：衬底；
位于所述衬底上的具有第一传感轴的第一惠斯通电桥和具有第二传感轴的第二惠斯通电桥，其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直；
所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组和两第二磁阻模块组；其中，所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第二惠斯通电桥包括分别位于其各桥臂上的四个第三磁阻模块；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块和所述第三磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
在本申请的另一实施例中，提供了一种电子设备。该电子设备，包括：上述任一项所述的单轴磁场传感器。
在本申请的另一实施例中，提供了一种电子设备。该电子设备，包括：上述任一项所述的双轴磁场传感器。
在本申请的又一实施例中，提供了一种单轴磁场传感器的制备方法。该制备方法，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组和两第二堆叠块组；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构；
在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥，以得到单轴磁场传感器；其中，
两所述第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；
两所述第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
可选的，所述磁场的磁场方向与所述第一传感轴的第一方向相同。
在本申请的又一实施例中，提供了一种双轴磁场传感器的制备方法。该制备方法，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组、两第二堆叠块组以及四个第三堆叠块；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构；所述导线连接所述四个第三堆叠块以构成第二电桥结构；
在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥、将所述第二电桥结构转化成第二惠斯通电桥，以得到双轴磁场传感器；其中，
所述第一惠斯通电桥具有第一传感轴，所述第二惠斯通电桥具有第二传感轴；其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直；
所述第一惠斯通电桥包括两所述第一磁阻模块组和两所述第二磁阻模块组；其中，所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
四个所述第三磁阻模块分别位于所述第二惠斯通电桥的各桥臂上；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块和所述第三磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
可选的，所述磁场的磁场方向与所述第一传感轴的第一方向相同。
本申请实施例提供的技术方案中，在垂直于第一传感轴的外界磁场作用下，第一相对桥臂各桥臂电阻保持不变；第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持该桥臂电阻也不变。可见，本申请实施例提供的单轴磁场传感器能够在垂直于传感轴的外界磁场下，保持各桥臂的电阻不变，无需再制备固定电阻，可减低单轴磁场传感器的制备工艺复杂度。此外，本申请只需对沉积一次的堆叠层进行一次图形化工艺和简单的磁退火工艺即可得到单轴磁场传感器，工艺简单、制造成本低。
本申请实施例提供的双轴磁场传感器中，在平行于第二传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥有响应，第一惠斯通电桥的第一相对桥臂各桥臂电阻保持不变，第一惠斯通电桥的第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持第二相对桥臂各桥臂电阻也不变，即第一惠斯通电桥无响应；在平行于第一传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥无响应，第一惠斯通电桥有响应。可见，本申请实施例提供的双轴磁场传感器能够感应平面内的各方向上的外界磁场，且无需再制备固定电阻，可减低双轴磁场传感器的制备工艺复杂度。此外，本申请只需对沉积一次的堆叠层进行一次图形化工艺和简单的磁退火工艺即可得到双轴磁场传感器，工艺简单、制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的单轴磁场传感器的电路原理图；
图2为在磁场方向平行于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块X的电阻变化曲线；
图3为在磁场方向平行于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块Y的电阻变化曲线；
图4为在磁场方向平行于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块Z的电阻变化曲线；
图5为在磁场方向垂直于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块X的电阻变化曲线；
图6为在磁场方向垂直于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块Y的电阻变化曲线；
图7为在磁场方向垂直于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块Z的电阻变化曲线；
图8为本申请实施例提供的外界磁场方向与第一传感轴的第一方向的角度与单轴磁场传感器输出的电压信号的关系图；
图9为本申请又一实施例提供的单轴磁场传感器的结构示意图；
图10为本申请又一实施例提供的单轴磁场传感器的制备方法的流程示意图；
图11为本申请一实施例提供的双轴磁场传感器的电路原理图；
图12为本申请又一实施例提供的双轴磁场传感器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的说明书、权利要求书及上述附图中描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行。操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1示出了本申请一实施例提供的单轴磁场传感器的电路原理图。如图1所示，该单轴磁场传感器，包括：衬底(未图示)和位于所述衬底上的第一惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组1和两第二磁阻模块组2；其中，所述两第一磁阻模块组1分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组1中第一磁阻模块11的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向(即图1底部显示的箭头所指方向)相同；所述两第二磁阻模块组2分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组2包括串联的两个第二磁阻模块21；所述两个第二磁阻模块21的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；所述第一磁阻模块11和所述第二磁阻模块21各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。需要补充说明的是：图1中，第一磁阻模块11和第二磁阻模块21中各自内部标注的箭头方向指代了各自的参考层磁化方向。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，则需在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将磁阻模块的各层薄膜沉积在绝缘层上。
上述第一磁阻模块和第二磁阻模块由于具有形状各向异性，均有一个长轴(即易磁化轴)和短轴(即难磁化轴)。具体实施时，可将第一和第二磁阻模块刻蚀成长方形、长六边形或椭圆形，可以使自由层易于形成稳定单磁畴的形状，以便形状各向异性足够强而使得在无外磁场的情况下，自由层磁化方向沿着其长轴方向(即沿着易磁化轴方向)。也就是说，无外磁场时，第一磁阻模块11和第二磁阻模块21各自的自由层磁化方向与各自的参考层磁化方向所成夹角为90°。
单轴磁场传感器具有第一传感轴，则表明：单轴磁场传感器在不垂直于第一传感轴的外磁场下均有响应，即在不垂直于第一传感轴的外磁场下所输出的电压不等于无外磁场时输出的电压。在设计本申请实施例提供的单轴磁场传感器中各桥臂电阻时，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，只要保证单轴磁场传感器在不垂直于第一传感轴的外磁场下输出的电压不等于无外磁场时输出的电压即可。
需要说明的是：各第二磁阻模块组中的两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角度值均相等。
下面将结合图1对本申请实施例提供的单轴磁场传感器的工作原理进行介绍：
当外磁场的方向为第一传感轴的第一方向时，第一磁阻模块11和第二磁阻模块21各自的自由层磁化方向均会偏转到与外磁场方向一致，即第一磁阻模块11的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°减小至0°；第二磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°减小至(其中，A为第一夹角的角度值)。第一相对桥臂各桥臂电阻在变小，第二相对桥臂电阻也在变小，但第一相对桥臂电阻和第二相对桥臂电阻的变化幅度不一致。此时第一惠斯通电桥输出电压Vout与无外磁场时第一惠斯通电桥输出电压Vout不同。因此，本申请图1提供的单轴磁场传感器能够对方向为第一传感轴的第一方向的外磁场产生感应。
当外磁场的方向为第一传感轴的第二方向(与第一方向相反的方向)时，第一磁阻模块和第二磁阻模块各自的自由层磁化方向均会偏转到与外磁场方向一致，即第一磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°增大至180°；第二磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°增大至第一相对桥臂各桥臂电阻在变大，第二相对桥臂电阻也在变大，但第一相对桥臂和第二相对桥臂的电阻变化幅度不一样。此时第一惠斯通电桥输出电压Vout与无外磁场时第一惠斯通电桥输出电压Vout不同。因此，本申请图1提供的单轴磁场传感器能够对方向为第一传感轴的第二方向的外磁场产生感应。
当外磁场的方向为垂直于第一传感轴的方向，第一磁阻模块的自由层磁化方向不发生偏转，即第一相对桥臂中各桥臂电阻不变；位于第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的自由层磁化方向偏转到与外磁场的方向一致，即：同一桥臂上的两个第二磁阻模块中一个第二磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°减小至另一个第二磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°增加至可见，同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻变化相反，从而使得第二相对桥臂中各桥臂电阻不变。此时第一惠斯通电桥电桥输出电压Vout与无外磁场时第一惠斯通电桥输出电压Vout相同。因此，本申请图1提供的单轴磁场传感器不会对方向为垂直于第一传感轴的外磁场产生感应。
如图1所示，在本申请实施例提供的传感器中共有三种磁阻模块X、Y和Z(其中，磁阻模块Y即为第一磁阻模块；磁阻模块X和磁阻模块Z即为串联在同一桥臂上的两个第二磁阻模块)。例如：以第一夹角为90°为例，磁阻模块Y的参考层磁化方向与第一传感轴的第一方向相同，磁阻模块X和磁阻模块Z的参考层磁化方向与第一传感轴3的第一方向均呈45°，且磁阻模块X和磁阻模块Z的参考层磁化方向分别位于所述第一传感轴的两侧。
图2、图3和图4依次示出了在磁场方向平行于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块X、Y、Z的电阻变化曲线；图5、图6、图7依次示出了在磁场方向垂直于第一传感轴的磁场的作用下磁阻模块X、Y、Z的电阻变化曲线。从图2、图3和图4中可以看出：磁阻模块X和磁阻模块Z的输出比磁阻模块Y的输出要小；从图5、图6、图7可以看出：磁阻模块X和磁阻模块Z在垂直于第一传感轴方向上的外磁场下呈相反的输出，即在垂直于第一传感轴方向上的外磁场的作用下，位于同一桥臂上串联的两个第二磁阻模块电阻变化相反，确保该桥臂电阻不变。需要说明的是：横轴坐标值大于0表明：外磁场方向指向第一传感轴的第二方向；横轴坐标值小于0表明：外磁场方向指向第一传感轴的第一方向。
本申请实施例提供的技术方案中，在垂直于第一传感轴的外界磁场作用下，第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持该桥臂电阻不变。可见，本申请实施例提供的单轴磁场传感器能够在垂直于第一传感轴的外界磁场下，保持各桥臂的电阻不变，无需制备固定电阻，可减低单轴磁场传感器的制备工艺复杂度。
在一种可实现的方案中，所述第二磁阻模块21的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为钝角。
在另一种可实现的方案中，如图1所示，所述第二磁阻模块21的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
在实际应用中，所述第一磁阻模块组1中可包括串联的两个所述第一磁阻模块11；且所述第一磁阻模块11的低阻态阻值与所述第二磁阻模块21的低阻态阻值相等；所述第一磁阻模块11的高阻态阻值与所述第二磁阻模块21的高阻态阻值相等。这样，无外磁场时，第一惠斯通电桥达到平衡，输出电压为0。这样可降低后续计算出外磁场方向的计算难度，还能提高磁场传感器的测量精度。
第二磁阻模块组中串联的两个第二磁阻模块21的电阻分别为Ra和Rc，第一磁阻模块11的电阻为Rb，下述公式中:R为自由层磁化方向与参考层磁化方向相同时低阻态阻值，ΔR为高阻态与低阻态的阻值差，θ为外界磁场方向与第一传感轴的第一方向之间的夹角，Vcc为输入电压：
由此可得到图1中a点的电压Va和b点的电压Vb分别为：
最终传感器输出电压为：
例如：当第一夹角A为90度时，上述公式中等于 等于
由公式(6)可知，外磁场的方向垂直于第一传感轴时，输出电压为0，即无响应；外磁场的方向不垂直于第一传感轴时，单轴磁场传感器的输出电压就不为0，即有响应。
图8示出了Vcc为1V、等于时输出的电压信号Vout与角度θ的关系，为余弦函数曲线，可识别0°至180°的角度范围。若与另外一个传感轴正交的单轴磁场传感器集成形成双轴磁场传感器，即可实现360°的角度识别。其中，θ为外界磁场方向与第一传感轴的第一方向之间的夹角。
在一种可实现的方案中，如图9所示，所述第一磁阻模块11由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块21由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；其中，Q为正整数。这样即可确保：所述第一磁阻模块11的低阻态阻值与所述第二磁阻模块21的低阻态阻值相等；所述第一磁阻模块11的高阻态阻值与所述第二磁阻模块21的高阻态阻值相等，即能够实现各桥臂的电阻匹配，提高测量精度。此外，各桥臂上的磁阻单元的数量越多，电桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为会被平均掉。图9中还展示了四个电极4。
为了综合考虑下述两个方面，所述第一夹角A设为大于80°且小于100°。在一最优实施例中，所述第一夹角A为90°。
第一方面，单轴磁场传感器的输出电压值越大，传感器灵敏度就越高，上述公式(6)中，以cosθ＝1为例(即以外磁场方向沿着第一传感轴的第一方向为例)，的值越小(即A的值越大)，Vout的值就越大；第二方面，A的值越小，沿着第一传感轴的第一方向进行磁退火后，第二磁阻模块的参考层磁化方向由于形状各向异性以及退磁场作用偏转到磁阻模块的短轴方向更容易，这是因为A的值越小，退火后，沿着第一传感轴的第一方向的参考层磁化方向偏转至短轴方向所需偏转的角度就越小。
图11示出了本申请又一实施例提供的双轴磁场传感器的电路原理图。如图11所示，该双轴磁场传感器包括：衬底(未图示)；位于所述衬底上的具有第一传感轴的第一惠斯通电桥和具有第二传感轴的第二惠斯通电桥，其中，所述第一传感轴和第二传感轴相互垂直；所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组1和两第二磁阻模块组2；其中，所述两第一磁阻模块组1分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组1中第一磁阻模块11的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向(即图11底部所示的箭头所指方向)相同；所述两第二磁阻模块组2分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组2包括串联的两个第二磁阻模块21；所述两个第二磁阻模块21的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；所述第二惠斯通电桥包括分别位于其各桥臂上的四个第三磁阻模块41；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块41的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块41的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；所述第一磁阻模块11、所述第二磁阻模块21和所述第三磁阻模块41各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
需要补充说明的是：图1中，第一磁阻模块11、第二磁阻模块21和第三磁阻模块41中各自内部标注的箭头方向指代了各自的参考层磁化方向。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，则需在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将磁阻模块的各层薄膜沉积在绝缘层上。
上述第一磁阻模块11、第二磁阻模块21和第三磁阻模块41由于具有形状各向异性，均有一个长轴(即易磁化轴)和短轴(即难磁化轴)。具体实施时，可将第一磁阻模块11、第二磁阻模块21和第三磁阻模块41刻蚀成长方形、长六边形或椭圆形，可以使自由层易于形成稳定单磁畴的形状，以便形状各向异性足够强而使得在无外磁场的情况下，自由层磁化方向沿着其长轴方向(即沿着易磁化轴方向)。
下面将结合图11对本申请实施例提供的双轴磁场传感器的工作原理进行介绍：
当外磁场的方向为第一传感轴的第一方向时，第二惠斯通电桥上的第三磁阻模块的自由层磁化方向均会偏转到与外磁场方向一致，即第二惠斯通电桥上的所有第三磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°变为可见，第二惠斯通电桥上两相对桥臂的电阻变化相等，因此，第二惠斯通电桥不会对方向为第一传感轴的第一方向产生响应。由上述对单轴磁场传感器的工作原理分析可知：第一惠斯通电桥能够对方向为第一传感轴的第一方向的外磁场产生响应。
当外磁场的方向为第一传感轴的第二方向(与第一方向相反的方向)时，第二惠斯通电桥上的第三磁阻模块的自由层磁化方向均会偏转到与外磁场方向一致，即第二惠斯通电桥上的所有第三磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°变为可见，第二惠斯通电桥上两相对桥臂的电阻变化相等，因此，第二惠斯通电桥不会对方向为第一传感轴的第一方向产生响应。由上述对单轴磁场传感器的工作原理分析可知：第一惠斯通电桥能够对方向为第一传感轴的第二方向的外磁场产生响应。
当外磁场的方向平行于第二传感轴时，第二惠斯通电桥上的第三磁阻模块的自由层磁化方向均会偏转到与外磁场方向一致，即第二惠斯通电桥的一相对桥臂中各桥臂上的第三磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°变为第二惠斯通电桥的另一相对桥臂中各桥臂上的第三磁阻模块的自由层磁化方向与参考层磁化方向的夹角由90°变为可见，第二惠斯通电桥上的两相对桥臂的桥臂电阻变化相反，因此，第二惠斯通电桥能够对方向平行于第二传感轴的外磁场产生响应。由上述对单轴磁场传感器的工作原理分析可知：第一惠斯通电桥不会对方向平行于第二传感轴的外磁场产生响应。
本申请实施例提供的双轴磁场传感器中，在平行于第二传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥有响应，第一惠斯通电桥的第一相对桥臂各桥臂电阻保持不变，第一惠斯通电桥的第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持第二相对桥臂各桥臂电阻也不变，即第一惠斯通电桥无响应；在平行于第一传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥无响应，第一惠斯通电桥有响应。可见，本申请实施例提供的双轴磁场传感器能够感应平面内的各方向上的外界磁场，且无需制备固定电阻，可减低双轴磁场传感器的制备工艺复杂度。
进一步的，所述第一夹角为大于80°且小于100°。具体地：所述第一夹角可取为90°。
进一步的，所述第一磁阻模块组1中包括串联的两个所述第一磁阻模块11；所述第一磁阻模块11的低阻态阻值与所述第二磁阻模块21的低阻态阻值相等；所述第一磁阻模块11的高阻态阻值与所述第二磁阻模块21的高阻态阻值相等。
进一步的，所述第一磁阻模块11由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块21由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；其中，Q为正整数。
进一步的，第三磁阻模块41也可由N个第三磁阻单元串联而成，所述N个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行，N为正整数。各桥臂上的磁阻单元的数量越多，电桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为会被平均掉。
进一步的，所述第二磁阻模块21的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
进一步的，第二夹角的角度值可等于第一夹角的角度值。
需要说明的是，第一惠斯通电桥的具体结构及其有益效果均可参见有关单轴磁场传感器的各实施例中相应内容，在此不再赘述。
本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括上述各实施例中的单轴磁场传感器。该电子设备包括但不限于手机、智能手表、MP4、头戴显示设备、游戏手柄等。
本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括上述各实施例中的双轴磁场传感器。该电子设备包括但不限于手机、智能手表、MP4、头戴显示设备、游戏手柄等。
图10示出了本申请又一实施例提供的单轴磁场传感器的制备方法的流程示意图。如图10所示，该制备方法包括：
1101、在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层。
1102、对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组和两第二堆叠块组。
1103、在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构。
1104、在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥，以得到单轴磁场传感器。
其中，如图1所示，两所述第一磁阻模块组1分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组1中第一磁阻模块11的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向(即图1底部所示的箭头所指方向)相同；两所述第二磁阻模块2组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组2包括串联的两个第二磁阻模块21；所述两个第二磁阻模块21的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；所述第一磁阻模块11和所述第二磁阻模块21各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
其中，第一磁阻模块和第二磁阻模块中各磁阻模块的易磁化轴即是各磁阻模块的长轴。
上述步骤1101中，可采用磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积、分子束外延或电子束蒸镀等方式在衬底上制备各层薄膜，以得到堆叠层。通常情况下，堆叠层可包括由下到上依次层叠的种子层、反铁磁钉扎层、参考层、非磁间层、感应出(即自由层)、覆盖层。其中，各层的具体结构以及具体材料可根据实际需要进行设计，本发明对此不作具体限制。例如：反铁磁钉扎层，主要材料为IrMn、PtMn、FeMn；参考层，主要材料为CoFe；非磁性间隔层，材料主要为Cu；自由层，主要材料为CoFe。
上述步骤1102中，可根据实际需要设计出第一堆叠块组和第二堆叠块组的具体形状，本实施例对此不作具体限制。第一堆叠块组中的第一堆叠块以及第二堆叠块组中的第二堆叠块均具有形状各向异性，例如：形状各向异性的形状有：长方形、椭圆形等。
可采用感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、反应离子刻蚀(reactive-ion etching,RIE)或离子束刻蚀工艺对膜堆层进行刻蚀以得到两第一堆叠块组和两第二堆叠块组。
上述步骤1103中，可通过热蒸镀、磁控溅射等工艺制备导线。具体实施时，可事先制备包含有导线图案的掩膜板，通过该掩膜板，采用热蒸镀或磁控溅射沉积金属材料以制备导线。两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组通过导线连接形成第一电桥结构。
上述步骤1104中，先在磁场中进行加热处理，之后撤去磁场进行冷却以得到成品。在磁场中加热处理后，第一堆叠块组中的第一堆叠块和第二堆叠块组中的第二堆叠块的参考层的磁化方向均沿着该磁场的磁场方向，撤去磁场冷却过程中，第一堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，完成第一堆叠块向第一磁阻模块的转化，也即完成第一堆叠块组向第一磁阻模块组的转化；和/或，第二堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，完成第二堆叠块向第二磁阻模块的转化，也即完成第二堆叠块组向第二磁阻模块组的转化。
为了得到图1示出的单轴磁场传感器，退火时所加的磁场方向与第一传感轴的第一方向所成夹角的角度值B需小于
在一种可实现的方案中，所述磁场的磁场方向与所述传感轴的第一方向相同。这样，在磁场中加热处理完成后，撤去磁场时，第一堆叠块的参考层磁化方向就已经沿着其短轴方向，故在冷却过程中第一堆叠块的参考层磁化方向不发生偏转，即在磁场中加热处理完成后，即已完成第一堆叠块向第一磁阻模块的转化。在磁场中加热处理完成后，撤去磁场时，第二堆叠块的参考层磁化方向沿着磁场方向，并没有沿着其短轴方向，故在冷却过程中，第二堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，从而完成第二堆叠块向第二磁阻模块的转化。注：冷却过程中，在形状各向异性及退磁场作用下，第二堆叠块的参考层磁化方向将会以最小偏转角度偏转至短轴方向上。
通常，退火所采用的磁场强度需大于堆叠层的反铁磁钉扎磁场强度且退火温度得在堆叠层的反铁磁钉扎层阻塞温度T左右才能实现参考层的磁化方向的偏置。具体地，退火温度范围为【T－50℃，T+50℃】。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，上述制备方法还包括：在衬底上依次沉积若干层薄膜之前，在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将若干层薄膜沉积在绝缘层上。
本申请实施例提供的技术方案中，在垂直于传感轴的外界磁场作用下，第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持该桥臂电阻不变。可见，本申请实施例提供的单轴磁场传感器能够在垂直于传感轴的外界磁场下，保持各桥臂的电阻不变，无需制备固定电阻，可减低单轴磁场传感器的制备工艺复杂度。此外，本申请只需对沉积一次的堆叠层进行一次图形化工艺和简单的磁退火工艺即可得到单轴磁场传感器，工艺简单、制造成本低。
进一步的，所述第一夹角为90°。
进一步的，所述第一磁阻模块组中包括串联的两个所述第一磁阻模块；所述第一磁阻模块的低阻态阻值与所述第二磁阻模块的低阻态阻值相等；所述第一磁阻模块的高阻态阻值与所述第二磁阻模块的高阻态阻值相等。
在一种可实现的方案中，所述第一磁阻模块由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；其中，Q为正整数。
进一步的，所述第二磁阻模块的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
通过本实施例提供的制备方法制备得到的单轴磁场传感器的具体结构以及工作原理可参见上述相关实施例，在此不再赘述。
图12示出了本申请又一实施例提供的双轴磁场传感器的制备方法的流程示意图。如图12所示，该制备方法包括：
1201、在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层。
1202、对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组、两第二堆叠块组以及四个第三堆叠块。
1203、在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构；所述导线连接所述四个第三堆叠块以构成第二电桥结构。
1204、在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥、将所述第二电桥结构转化成第二惠斯通电桥，以得到双轴磁场传感器。
其中，如图11所示，所述第一惠斯通电桥具有第一传感轴，所述第二惠斯通电桥具有第二传感轴；其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直；所述第一惠斯通电桥包括两所述第一磁阻模块组1和两所述第二磁阻模块组2；其中，所述两第一磁阻模块组1分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组1中第一磁阻模块11的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同(即图11底部显示的箭头所指方向)；所述两第二磁阻模块组2分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组2包括串联的两个第二磁阻模块21；所述两个第二磁阻模块21的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；四个所述第三磁阻模块41分别位于所述第二惠斯通电桥的各桥臂上；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块41的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块41的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；所述第一磁阻模块11、所述第二磁阻模块21和所述第三磁阻模块41各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
其中，第一磁阻模块11、第二磁阻模块21和第三磁阻模块41的易磁化轴即是各磁阻模块的长轴。
上述步骤1201可参见上述各实施例中相应内容，在此不再赘述。
上述步骤1202中，可根据实际需要设计出第一堆叠块组、第二堆叠块组和第二堆叠块的具体形状，本实施例对此不作具体限制。第一堆叠块组中的第一堆叠块以及第二堆叠块组中的第二堆叠块均具有形状各向异性，例如：形状各向异性的形状有：长方形、椭圆形等。
可采用感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、反应离子刻蚀(reactive-ion etching,RIE)或离子束刻蚀工艺对膜堆层进行刻蚀以得到两个第一堆叠块组、两第二堆叠块组和四个第三堆叠块。
上述步骤1203中，可通过热蒸镀、磁控溅射等工艺制备导线。具体实施时，可事先制备包含有导线图案的掩膜板，通过该掩膜板，采用热蒸镀或磁控溅射沉积金属材料以制备导线。两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组通过导线连接形成第一电桥结构。四个第三堆叠块通过导线连接形成第二电桥结构。
上述步骤1204中，先在磁场中进行加热处理，之后撤去磁场进行冷却以得到成品。在磁场中加热处理后，第一堆叠块、第二堆叠块和第三堆叠块的参考层的磁化方向均沿着该磁场的磁场方向，撤去磁场冷却过程中，第一堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，完成第一堆叠块向第一磁阻模块的转化，也即完成第一堆叠块组向第一磁阻模块组的转化；和/或，第二堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，完成第二堆叠块向第二磁阻模块的转化，也即完成第二堆叠块组向第二磁阻模块组的转化；和/或，第三堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到其短轴方向并固定，完成第三堆叠块向第三磁阻模块的转化，也即完成第三堆叠块组向第三磁阻模块组的转化。
为了得到图11示出的双轴磁场传感器，退火时所加的磁场方向与第一传感轴3的第一方向所成夹角的角度值B需小于
在一种可实现的方案中，所述磁场的磁场方向与所述第一传感轴的第一方向相同。这样，在磁场中加热处理完成后，撤去磁场时，第一堆叠块的参考层磁化方向就已经沿着其短轴方向，故在冷却过程中第一堆叠块的参考层磁化方向不发生偏转，即在磁场中加热处理完成后，即已完成第一堆叠块向第一磁阻模块的转化。在磁场中加热处理完成后，撤去磁场时，第二堆叠块和第三堆叠块的参考层磁化方向沿着磁场方向，并没有沿着其短轴方向，故在冷却过程中，第二堆叠块和第三堆叠块的参考层磁化方向由于形状各向异性及退磁场作用将会偏离该磁场的磁场方向，偏转到各自短轴方向并固定，实现了第二堆叠块向第二磁阻模块的转化以及第三堆叠块向第三磁阻模块的转化。注：冷却过程中，在形状各向异性及退磁场作用下，第二堆叠块和第三堆叠块的参考层磁化方向将会以最小偏转角度偏转至短轴方向上。
通常，退火所采用的磁场强度需大于堆叠层的反铁磁钉扎磁场强度且退火温度得在堆叠层的反铁磁钉扎层阻塞温度T左右才能实现参考层的磁化方向的偏置。具体地，退火温度范围为【T-50℃，T+50℃】。
上述衬底可以为绝缘衬底或半导体衬底，当为半导体衬底时，上述制备方法还包括：在衬底上依次沉积若干层薄膜之前，在半导体衬底表面形成一层绝缘层。例如：衬底为硅衬底，对硅衬底表面进行热氧化处理形成氧化硅绝缘层。之后，再将若干层薄膜沉积在绝缘层上。
本申请实施例提供的双轴磁场传感器中，在平行于第二传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥有响应，第一惠斯通电桥的第一相对桥臂各桥臂电阻保持不变，第一惠斯通电桥的第二相对桥臂中同一桥臂上的两个第二磁阻模块的电阻会产生相反的响应，从而保持第二相对桥臂各桥臂电阻也不变，即第一惠斯通电桥无响应；在平行于第一传感轴的外界磁场作用下，第二惠斯通电桥无响应，第一惠斯通电桥有响应。可见，本申请实施例提供的双轴磁场传感器能够感应平面内的各方向上的外界磁场，且无需制备固定电阻，可减低双轴磁场传感器的制备工艺复杂度。此外，本申请只需对沉积一次的堆叠层进行一次图形化工艺和简单的磁退火工艺即可得到双轴磁场传感器，工艺简单、制造成本低。
进一步的，所述夹角为大于80°且小于100°。具体地：所述夹角可取为90°。
进一步的，所述第一磁阻模块组中包括串联的两个所述第一磁阻模块；所述第一磁阻模块的低阻态阻值与所述第二磁阻模块的低阻态阻值相等；所述第一磁阻模块的高阻态阻值与所述第二磁阻模块的高阻态阻值相等。
进一步的，所述第一磁阻模块由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；其中，Q为正整数。
进一步的，第三磁阻模块也可由N个第三磁阻单元串联而成，所述N个第三磁阻单元的易磁化轴相互平行，N为正整数。各桥臂上的磁阻单元的数量越多，电桥的噪声相应地就会降低，这是因为每一个磁阻单元的互不相关的随机行为会被平均掉。
进一步的，所述第二磁阻模块的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
进一步的，第二夹角的角度值可等于第一角度的角度值。
通过本实施例提供的制备方法制备得到的双轴磁场传感器的具体结构以及工作原理可参见上述相关实施例，在此不再赘述。
本申请实施例提供的单、双轴磁场传感器及其制备方法相比于现有技术具有如下几点优点：
1)本申请实施例提供的半惠斯通电桥单轴磁场传感器可使用一次图形化工艺实现，工艺步骤简单，成本较低。
2)使用相同薄膜(即堆叠层)制作传感器的四个桥臂可以实现精确的桥臂电阻匹配，减小偏置电压。
3)可通过同一图像工艺将此半惠斯通电桥单轴磁场传感器与全惠斯通电桥(即上述的第二惠斯通电桥)紧密放置在同一衬底上，以及相同退火工艺即可制作双轴磁场传感器。
4)与CMOS工艺兼容，可以广泛集成于多种芯片上。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种单轴磁场传感器，其特征在于，包括：衬底和位于所述衬底上的第一惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组和两第二磁阻模块组；其中，
所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；
所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
2.根据权利要求1所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角大于80°且小于100°。
3.根据权利要求1所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角为90°。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一磁阻模块组中包括串联的两个所述第一磁阻模块；
所述第一磁阻模块的低阻态阻值与所述第二磁阻模块的低阻态阻值相等；
所述第一磁阻模块的高阻态阻值与所述第二磁阻模块的高阻态阻值相等。
5.根据权利要求4所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第一磁阻模块由Q个第一磁阻单元串联而成；所述第二磁阻模块由Q个第二磁阻单元串联而成；所述第一磁阻单元和所述第二磁阻单元的形状相同；
所述Q个第一磁阻单元的易磁化轴相互平行；
所述Q个第二磁阻单元的易磁化轴相互平行；
其中，Q为正整数。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的单轴磁场传感器，其特征在于，所述第二磁阻模块的参考层磁化方向与所述第一传感轴的第一方向所成第三夹角为锐角。
7.一种双轴磁场传感器，其特征在于，包括：衬底；
位于所述衬底上的具有第一传感轴的第一惠斯通电桥和具有第二传感轴的第二惠斯通电桥，其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直；
所述第一惠斯通电桥包括两第一磁阻模块组和两第二磁阻模块组；其中，所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第二惠斯通电桥包括分别位于其各桥臂上的四个第三磁阻模块；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块和所述第三磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
8.一种电子设备，其特征在于，包括上述权利要求1至6中任一项所述的单轴磁场传感器。
9.一种电子设备，其特征在于，包括上述权利要求7所述的双轴磁场传感器。
10.一种单轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组和两第二堆叠块组；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构；
在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥，以得到单轴磁场传感器；其中，
两所述第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；
两所述第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块和所述第二磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述磁场的磁场方向与所述第一传感轴的第一方向相同。
12.一种双轴磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次沉积若干层薄膜，以得到堆叠层；
对所述堆叠层进行图像化刻蚀形成两第一堆叠块组、两第二堆叠块组以及四个第三堆叠块；
在所述衬底上制备导线，所述导线连接所述两第一堆叠块组和所述两第二堆叠块组以构成第一电桥结构；所述导线连接所述四个第三堆叠块以构成第二电桥结构；
在磁场中进行退火处理，并在撤去所述磁场后冷却以将所述第一堆叠块组转化成第一磁阻模块组、将所述第二堆叠块组转化成第二磁阻模块组、将所述第三堆叠块转化成第三磁阻模块、将所述第一电桥结构转化成第一惠斯通电桥、将所述第二电桥结构转化成第二惠斯通电桥，以得到双轴磁场传感器；其中，
所述第一惠斯通电桥具有第一传感轴，所述第二惠斯通电桥具有第二传感轴；其中，所述第一传感轴和所述第二传感轴相互垂直；
所述第一惠斯通电桥包括两所述第一磁阻模块组和两所述第二磁阻模块组；其中，所述两第一磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第一相对桥臂上，所述第一磁阻模块组中第一磁阻模块的参考层磁化方向均与所述单轴磁场传感器的第一传感轴的第一方向相同；所述两第二磁阻模块组分别位于所述第一惠斯通电桥的第二相对桥臂上，所述第二磁阻模块组包括串联的两个第二磁阻模块；所述两个第二磁阻模块的参考层磁化方向所成第一夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；其中，所述第一夹角大于0°小于180°；
四个所述第三磁阻模块分别位于所述第二惠斯通电桥的各桥臂上；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角的角平分线与所述第一传感轴平行；分别位于所述第二惠斯通电桥的相邻桥臂上的两所述第三磁阻模块的参考层磁化方向所成第二夹角大于0°小于180°；
所述第一磁阻模块、所述第二磁阻模块和所述第三磁阻模块各自的参考层磁化方向与各自的易磁化轴垂直。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述磁场的磁场方向与所述第一传感轴的第一方向相同。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111198342A (zh) * 2020-01-10 2020-05-26 江苏多维科技有限公司 一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器
CN112289922A (zh) * 2019-07-22 2021-01-29 中电海康集团有限公司 磁传感器及其制作方法
CN113030803A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 歌尔微电子股份有限公司 磁传感器、磁传感器的制备方法及电子设备
CN113196077A (zh) * 2019-08-26 2021-07-30 西部数据技术公司 使用自由层交换钉扎的大场范围tmr传感器
CN113466759A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 山东大学 单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法
CN115267623A (zh) * 2022-09-23 2022-11-01 微传智能科技（常州）有限公司 一种磁阻磁开关传感器

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58101483A (ja) * 1981-12-11 1983-06-16 Nec Home Electronics Ltd 磁気抵抗素子
DE4219908A1 (de) * 1991-06-18 1993-01-07 Mitsubishi Electric Corp Ferromagnetische widerstandseinheit in vollweg-brueckenschaltung
US5719494A (en) * 1994-10-15 1998-02-17 Lust Antriebstechnik Gmbh Sensor assembly
US6100686A (en) * 1997-06-13 2000-08-08 U.S. Philips Corporation Magnetic field sensor with double wheatstone bridge having magneto-resistive elements
DE19839450B4 (de) * 1998-08-29 2004-03-11 Institut für Mikrostrukturtechnologie und Optoelektronik (IMO) e.V. Magnetoresistiver Sensorchip mit mindestens zwei als Halb- oder Vollbrücke ausgebildeten Meßelementen
US20070159159A1 (en) * 2006-01-12 2007-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Current sensor and mounting method thereof
US20080272771A1 (en) * 2007-05-02 2008-11-06 Magic Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction (MTJ) based magnetic field angle sensor
CN101788596A (zh) * 2010-01-29 2010-07-28 王建国 Tmr电流传感器
JP2011043436A (ja) * 2009-08-21 2011-03-03 Tokai Rika Co Ltd 多重系磁気センサのセンサパターン配置構造及びその製造方法
CN101995558A (zh) * 2009-08-07 2011-03-30 Tdk株式会社 磁性传感器
CN102226835A (zh) * 2011-04-06 2011-10-26 江苏多维科技有限公司 单一芯片双轴磁场传感器及其制备方法
CN103412269A (zh) * 2013-07-30 2013-11-27 江苏多维科技有限公司 单芯片推挽桥式磁场传感器
CN107003364A (zh) * 2014-11-24 2017-08-01 森斯泰克有限责任公司 磁阻式惠斯通电桥和具有至少两个这种电桥的角度传感器
CN108387852A (zh) * 2018-04-23 2018-08-10 北京航空航天大学青岛研究院 单、双轴磁场传感器及其制备方法
CN108983125A (zh) * 2017-06-01 2018-12-11 深迪半导体(上海)有限公司 一种磁阻传感器

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58101483A (ja) * 1981-12-11 1983-06-16 Nec Home Electronics Ltd 磁気抵抗素子
DE4219908A1 (de) * 1991-06-18 1993-01-07 Mitsubishi Electric Corp Ferromagnetische widerstandseinheit in vollweg-brueckenschaltung
US5719494A (en) * 1994-10-15 1998-02-17 Lust Antriebstechnik Gmbh Sensor assembly
US6100686A (en) * 1997-06-13 2000-08-08 U.S. Philips Corporation Magnetic field sensor with double wheatstone bridge having magneto-resistive elements
DE19839450B4 (de) * 1998-08-29 2004-03-11 Institut für Mikrostrukturtechnologie und Optoelektronik (IMO) e.V. Magnetoresistiver Sensorchip mit mindestens zwei als Halb- oder Vollbrücke ausgebildeten Meßelementen
US20070159159A1 (en) * 2006-01-12 2007-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Current sensor and mounting method thereof
US20080272771A1 (en) * 2007-05-02 2008-11-06 Magic Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction (MTJ) based magnetic field angle sensor
CN101995558A (zh) * 2009-08-07 2011-03-30 Tdk株式会社 磁性传感器
JP2011043436A (ja) * 2009-08-21 2011-03-03 Tokai Rika Co Ltd 多重系磁気センサのセンサパターン配置構造及びその製造方法
CN101788596A (zh) * 2010-01-29 2010-07-28 王建国 Tmr电流传感器
CN102226835A (zh) * 2011-04-06 2011-10-26 江苏多维科技有限公司 单一芯片双轴磁场传感器及其制备方法
CN103412269A (zh) * 2013-07-30 2013-11-27 江苏多维科技有限公司 单芯片推挽桥式磁场传感器
CN107003364A (zh) * 2014-11-24 2017-08-01 森斯泰克有限责任公司 磁阻式惠斯通电桥和具有至少两个这种电桥的角度传感器
CN108983125A (zh) * 2017-06-01 2018-12-11 深迪半导体(上海)有限公司 一种磁阻传感器
CN108387852A (zh) * 2018-04-23 2018-08-10 北京航空航天大学青岛研究院 单、双轴磁场传感器及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHAOHUA YAN等: "Design and Fabrication of Full Wheatstone-Bridge-Based Angular GMR Sensors", 《SENSORS》 *
罗炳海等: "一种基于各向异性磁阻技术的角位移传感器的原理及设计方案", 《电子制作》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112289922A (zh) * 2019-07-22 2021-01-29 中电海康集团有限公司 磁传感器及其制作方法
CN112289922B (zh) * 2019-07-22 2023-05-30 中电海康集团有限公司 磁传感器及其制作方法
CN113196077A (zh) * 2019-08-26 2021-07-30 西部数据技术公司 使用自由层交换钉扎的大场范围tmr传感器
CN111198342A (zh) * 2020-01-10 2020-05-26 江苏多维科技有限公司 一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器
CN111198342B (zh) * 2020-01-10 2021-07-06 江苏多维科技有限公司 一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器
WO2021139695A1 (zh) * 2020-01-10 2021-07-15 江苏多维科技有限公司 一种谐波增宽线性范围的磁电阻传感器
CN113030803A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 歌尔微电子股份有限公司 磁传感器、磁传感器的制备方法及电子设备
WO2022183826A1 (zh) * 2021-03-01 2022-09-09 歌尔微电子股份有限公司 磁传感器、磁传感器的制备方法及电子设备
CN113466759A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 山东大学 单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法
CN115267623A (zh) * 2022-09-23 2022-11-01 微传智能科技（常州）有限公司 一种磁阻磁开关传感器
CN115267623B (zh) * 2022-09-23 2023-10-20 微传智能科技（常州）有限公司 一种磁阻磁开关传感器

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