专利名称：穿隧磁阻结构以及集成式3轴向磁场传感器与其制造方法
技术领域：
本发明涉及磁场感测装置，尤其涉及可用作电子罗盘(electronic compass)的单芯片集成式3 $由石兹场1 专感器(3-axis magnetic field sensor)
背景技术：
电子罗盘已设置于各种电子产品中以用于改进性能。举例来说，电子罗盘可用于全球定位系统(GPQ中以改进感测能力。GPS中的前进方向是通过物体的移动来确定。然而，当速度慢或甚至处于静止位置时，GPS便无法精确地确定方位。电子罗盘则可提供方位角信息以帮助确定方向。各种方式感测磁场的机制已被提出，例如典型的霍尔器件(Hall device)或磁阻器件(magneto-resistive device) 0磁阻器件包括异向性磁电阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁电阻器(giant magneto-resistor, GMR)和穿隧式磁电阻器 (tunneling magneto-resistor, TMR)的磁阻器件，具有比霍尔器件灵敏度大的优点，且其后端工艺也容易与CMOS的前端工艺相整合。异向性磁电阻器磁场传感器已经商品化，但仅限于最多2轴Q-axis)的集成芯片类型。异向性磁电阻器可以使用45度的短路条，即是所谓螺丝纹条状杆偏压结构(Barber pole bias)，从而以双向(bipolar)模式工作。巨磁电阻器具有比异向性磁电阻器大的磁阻比(magneto-resistance ratio，MR)，然而巨磁电阻器却难以在双向模式下操作，一般仅使用单向(unipolar)模式来感测磁场的数值。近年来，高磁阻比穿隧式磁电阻器的实现引起更大的注意力，而仅有少数单轴磁场传感器产品有成品出售。非预期地，穿隧式磁电阻器结构和磁性薄膜的特性反而限制其多轴磁场传感器的可行性。图IA至图IB为用于磁场传感器95的典型穿隧式磁电阻器附图，其包括由导电金属形成的底板作为形成于基板90上的底部电极102 ；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction, MTJ)器件110，形成于底部电极102上；及由导电材料形成的顶板作为形成于磁性穿隧接面器件110上的顶部电极106。从磁性穿隧接面器件的结构图案， 可以定义一相交点于中心处的十字形线，其中较长的线称为长轴101，且较短的线称为短轴 103，另外，称作易轴(easy-axis) 180的线与长轴101共线。磁性穿隧接面器件110包括固定层112、穿隧层115和自由层116，其中磁性穿隧接面器件110设置于底部电极102与顶部电极106之间。磁性材料的固定层112形成于底部电极102上，且具有与一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧层115形成于固定层112上。磁性材料的自由层 116形成于穿隧层115上，且具有在开始时与易轴180平行的第一自由磁距118。在形成磁性穿隧接面器件之后，例如是磁性薄膜堆栈和图案蚀刻后，通过在退火工艺期间施加一固定方向为与易轴180垂直的磁场。在退火工艺之后，第一固定磁矩114将会平行所述磁场的方向，而磁性穿隧接面器件110的形状异向性会使第一自由磁距118倾向与易轴平行。因此，穿隧式磁电阻器的磁场感测方向垂直于基板的易轴180。另外，水平极化材料的磁性膜层通常具有极强的去磁磁场(demagnetization field)，限制自由层和固定层的磁距仅能在躺在磁性薄膜的平面上转动，但难以站立于磁性薄膜的平面。因此，穿隧式磁电阻器的典型结构仅可适用于在平面(in-plane)磁场传感器。通过异向性磁电阻器或甚至巨磁电阻器，可以实现集成式的水平双轴磁场传感器，但其占据面积大小相当大。由于其极低的电阻率，器件长度必须足够长以达到可用于感测磁场的值。图2A至图2B为全范围与半范围惠斯顿电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的示意附图。如图2A所示，惠斯顿电桥电路是一般常采用来将感测信号转换为电子信号的方法。对于异向性磁电阻器磁性传感器，电桥的每个器件R11、R21、R12、R22都是串联连接的一些具有螺丝纹条状杆偏压结构的异向性磁电阻器，且任何相邻器件上的短路条状杆的角度(shorting bar angle)都互补，使得电桥对称且能全范围操作。然而，对于巨磁电阻器或穿隧式磁电阻器磁场传感器，由于其对称的磁阻与磁场特性，因此两个器件R21、R12必须被遮蔽(如图2B所示)仅使用半范围操作。由于穿隧式磁电阻器的磁阻比较高，不对称的半范围操作会导致电桥输出失去线性度(linearity)和准确度。如上所述的磁性薄膜特性的限制，如果是要使用磁电阻器来感测方向与基板垂直的磁场，一般是将磁电阻器置于制作于基板上的斜面上，通过感测于斜面上的磁场分量的方式来达成。异向性磁电阻器的挑战是在于其需要大的斜面面积，且45度的螺丝纹条状杆对于微影(Iithogrphy)和蚀刻工艺是个难题。而典型穿隧式磁电阻器的固定磁矩方向受到退火工艺的磁场方向限制，无法制作集成式多轴的磁场传感器。电子罗盘应用通常需要感测X-Y-Z方向上的地磁场(geo-magnetic field)分量。 到目前为止，传统电子罗盘芯片通常包装三个单独的磁场传感器来分别感测地磁场的每一个方向的分量。如何设计3轴向的集成式低成本磁场传感器，在此项技术中一直是很热门的题目。

发明内容
本发明同时提出一种用以感测磁场的穿隧式磁电阻器(Tunneling Magneto-Resistor, TMR)结构和一种在基板上形成3轴向的集成式磁场传感器的制造方法。在本发明的实施例中，一种穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括底部电极、第一磁性穿隧接面器件、第二磁性穿隧接面器件和顶部电极。第一磁性穿隧接面器件包括磁性材料的第一固定层，其位于底部电极上、具有处于一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于第一固定层上；及磁性材料的第一自由层，其设置于第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与易轴之间形成夹角。第二磁性穿隧接面器件与第一磁性穿隧接面器件具有相同的磁性薄膜结构与图案，包括磁性材料的第二固定层，其位于底部电极上、具有在前述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于第二固定层上；及磁性材料的第二自由层，其设置于第二穿隧层上、具有平行于易轴的第二自由磁距。所述顶部电极连接第一自由层与第二自由层。第一自由磁距和第二自由磁距在初始状态下平行于易轴，但相互反平行(mutual anti-parallel)。所述固定方向与易轴之间的夹角实质上为45度或135度。在本发明的实施例中，一种在平面(in-plane)磁场传感器包括基板、穿隧式磁电阻器磁性感测结构和金属线路径。所述穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括位于基板上的
11底部电极、第一磁性穿隧接面器件、第二磁性穿隧接面器件、顶部电极。第一磁性穿隧接面器件包括磁性材料的第一固定层，其位于底部电极上、具有在一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于第一固定层上；及磁性材料的第一自由层，其设置于第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与易轴之间形成夹角。 第二磁性穿隧接面器件与第一磁性穿隧接面器件具有相同的磁性薄膜结构与图案，包括: 磁性材料的第二固定层，其位于底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于第二固定层上；及磁性材料的第二自由层，其设置于第二穿隧层上、具有平行于易轴的第二自由磁距。所述顶部电极连接第一自由层与第二自由层。 所述金属线路径跨过第一磁性穿隧接面器件和第二磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述金属线路径而产生磁场，第一与第二磁性穿隧接面器件分别受到平行于易轴但方向相反的磁场，使得第一自由磁距和第二自由磁距被设定为平行于易轴但是相互反平行。所述固定方向与易轴之间的夹角实质上为45度或135度。磁场感测方向垂直于基板上的所述易轴。 在本发明的实施例中，一种2轴的在平面磁场传感器包括基板、第一在平面磁场传感器和第二在平面磁场传感器。所述第一在平面磁场传感器具有第一固定方向和第一易轴。所述第二在平面磁场传感器具有第二固定方向和第二易轴。所述第一易轴正交于第二易轴，且所述第一固定方向和第二固定方向都平行于平分方向(bisection direction), 所述平分方向分别与第一易轴和第二易轴具有45度角。所述第一磁场传感器包括第一穿隧式磁电阻器磁性感测结构和第一金属线路径。所述第一穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括位于基板上的第一底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，所述第一固定层位于第一底部电极上、具有在第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；和磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于第一易轴的第一自由磁距，且第一固定方向与第一易轴之间形成第一夹角；第二磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第二固定层，其位于第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于所述第二固定层上；和磁性材料的第二自由层，其设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层； 且第一金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述第一金属线路径而产生磁场，第一与第二磁性穿隧接面器件分别受到平行于第一易轴但方向相反的磁场，使得第一自由磁距和第二自由磁距被设定为平行于第一易轴但是相互反平行。所述第一固定方向与第一易轴之间的第一夹角实质上为45 度或135度。第一在平面磁场传感器的磁场感测方向垂直于基板上的第一易轴。所述第二在平面磁场传感器包括第二穿隧式磁电阻器磁性感测结构和第二金属线路径。所述第二穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括位于基板上的第二底部电极；第三磁性穿隧接面器件， 包括磁性材料的第三固定层，所述第三固定层位于第三底部电极上、具有在第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，其设置于所述第三固定层上；和磁性材料的第三自由层，其设置于所述第三穿隧层上、具有平行于第二易轴的第三自由磁距，且第二固定方向与第二易轴之间形成第二夹角；第四磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第四固定层，其位于第二底部电极上、具有处于所述第二固定方向的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；和磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距。第二顶部电极连接所述第三自由层与所述第四自由层；且第二金属线路径跨过所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述第二金属线路径而产生磁场，第三与第四磁性穿隧接面器件分别受到平行于第二易轴但方向相反的磁场，使得第三自由磁距和第四自由磁距被设定为平行于第二易轴但是相互反平行。所述第二固定方向与第二易轴之间的第二夹角实质上为45度或135度，其中第二在平面磁场传感器的磁场感测方向垂直于基板上的第二易轴。 在本发明的实施例中，一种制作于基板上具有感测磁场方向垂直于基板的出平面磁场传感器(out-of-plane magnetic field sensor)，包括凹槽或凸起结构、第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构、第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构、和金属线路径。基板上的所述凹槽或凸起结构具有第一斜面和第二斜面。第一斜面与第二斜面相对于基板具有相同的斜角(bevel)且对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构形成于第一斜面上且具有第一固定方向和第一易轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括位于第一斜面上的第一底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，所述第一固定层位于第一底部电极上、具有在第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；和磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于第一易轴的第一自由磁距，且第一固定方向与第一易轴之间形成第一夹角；第二磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第二固定层， 其位于第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于所述第二固定层上；和磁性材料的第二自由层，其设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层。第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构形成于第二斜面上，具有第二固定方向和第二易轴，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括位于第二斜面上的第二底部电极；第三磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第三固定层，所述第三固定层位于第二底部电极上、具有在第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，其设置于所述第三固定层上；和磁性材料的第三自由层，其设置于所述第三穿隧层上、具有平行于第二易轴的第三自由磁距，且第二固定方向与第二易轴之间形成第二夹角；第四磁性穿隧接面器件，其包括磁性材料的第四固定层，其位于第二底部电极上、具有处于所述第二固定方向的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；和磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距； 以及第二顶部电极，其连接所述第三磁性自由层与所述第四磁性自由层。所述金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件、所述第二磁性穿隧接面器件、所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件，且流过所述金属线路径的电流可产生平行于第一易轴但方向相反的磁场以将第一自由磁距和第二自由磁距的初始状态设定为平行于所述第一易轴但相互反平行，且产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场以将第三自由磁距和第四自由磁距的初始状态设定为平行于第二易轴但相互反平行。第一易轴和第二易轴平行于所述凹槽或凸起结构的中轴。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第一底部电极与第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第二底部电极相连接。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第一顶部电极与第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第二顶部电极相连接。在本发明的实施例中，一种3轴集成式磁场传感器包括基板、前述2轴的在平面磁场传感器和前述出平面磁场传感器。所述2轴的在平面磁场传感器包括两个在平面磁场传感器，其中所述出平面磁场传感器的中轴平行于所述两个在平面磁场传感器的平分方向。在本发明的实施例中，提供一种同时设定3轴磁场传感器的各轴向的穿隧式磁电阻器磁场感测结构的固定方向的方法。通过在退火工艺期间施加一倾斜磁场(slantwise field)，所述磁场与垂直于基板的Z轴具有仰角(zenith angle)，其在基板上的投影也与X 轴及Y轴具有45度的方位角，所述仰角的正切等于前述出平面磁场传感器所述斜面的斜角的正弦。根据本发明，提供一种同时设定3轴磁场传感器的各轴向的穿隧式磁电阻器磁场感测结构的固定方向的方法。通过在退火工艺期间施加双向磁场方式，即同时施加水平方向和垂直方向的磁场。垂直磁场平行于基板的ζ轴，水平磁场与X轴和Y轴具有45度的方位角且与垂直磁场的量值比等于前述出面磁场传感器所述斜面的斜角的正弦。在本发明的实施例中，提供一种用以将所感测磁场转换为电子信号的感测电路。 所述电路由偏压电压单元、钳位电压电流镜单元和信号转变放大单元构成。使用相同的磁场传感器作为零磁场参考器，但其自由磁距在磁场感测期间，被电流产生的磁场而锁定于初始状态。所述偏压电压单元产生钳位电压施加给钳位电压电流镜，并将所述偏压电压施加至磁场传感器和零磁场参考器。钳位电压电流镜单元将零磁场参考器的参考电流映像给磁场传感器。磁场传感器的电导因感测磁场而改变，所以流过磁场传感器的电流是零磁场参考电流与电导变化的感测电流的总和。电导变化的感测电流通过信号转变放大单元的电阻器而被转换为感测电压。应理解，前述概括描述及以下详细描述皆为示例性的，且旨在提供对所主张的本发明的进一步解释。


图IA至图IB是典型穿隧式磁电阻器磁场传感器沿着易轴的剖视图与俯视图。图2A至图2B是全范围与半范围的惠斯顿电桥电路附图。图3A至图;3B是根据本发明实施例的互补穿隧式磁电阻器(mutual supplement tunneling magneto-resistor, MS-TMR)沿着易轴的剖视图与俯视图。图4A至图4B是根据本发明实施例的正规化电导对施加磁场的计算。图5A至图5B是根据本发明实施例的微磁学模拟，用以证明电导对施加磁场的线性关系。图6是根据本发明实施例的2轴的在平面磁场传感器附图。图7A至图7C是在本发明中所引伸的Z轴磁场传感器的俯视图和剖视图。图8A至图8B是在本发明中用以说明实施例的斜面相对于基板的几何坐标关系的附图。图9是根据本发明实施例的Z轴的出平面磁场传感器的俯视图。图10是根据本发明实施例的3轴磁场传感器的俯视图。图11是根据本发明实施例，说明在退火工艺期间施加单一倾斜磁场或双重磁场
14来设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向的方法。图12是根据本发明实施例，一种用于将所感测磁场转换为电子信号的电路附图。[主要器件符号说明]90 基板100 互补穿隧式磁电阻器101 长轴102:底部电极103 短轴106:顶部电极108 金属线路径110:磁性穿隧接面器件IlOa 第一磁性穿隧接面器件IlOb 第二磁性穿隧接面器件112:固定层112a:第一固定层112b:第二固定层114:第一固定磁距114a:第一固定磁距114b:第二固定磁距115:穿隧层115a:第一穿隧层115b:第二穿隧层116:自由层116a:第一自由层116b:第二自由层118:第一自由磁距118a:第一自由磁距118b:第二自由磁距140:第一固定方向180 第一易轴200 第二互补穿隧式磁电阻器208:第二金属线路径210a 第三磁性穿隧接面器件210b 第四磁性穿隧接面器件214a 第三固定磁距214b:第四固定磁距218a:第三自由磁距218b:第四自由磁距M0:第二固定方向
280 第二易轴300 =Z轴向磁场传感器300a 第一互补穿隧式磁电阻器300b 第二互补穿隧式磁电阻器305:中轴308 金属线路径310 第一穿隧式磁电阻器310a 第五磁性穿隧接面器件310b 第六磁性穿隧接面器件314 第一固定磁距/第一固定方向314a 第一固定磁距/第五固定磁距314b 第二固定磁距/第六固定磁距318:第一自由磁距318a 第一自由磁距/第五自由磁距318b 第二自由磁距/第六自由磁距320 第二穿隧式磁电阻器320a 第三磁性穿隧接面器件/第七磁性穿隧接面器件320b 第四磁性穿隧接面器件/第八磁性穿隧接面器件324:第二固定方向324a 第三固定磁距/第七固定磁距324b 第四固定磁距/第八固定磁距328:第二自由磁距第三自由磁距/第七自由磁距328b 第四自由磁距/第八自由磁距340a 第一固定方向/第三固定方向340b 第二固定方向/第四固定方向350:平分方向360a 第一斜面360b 第二斜面370:凹槽结构380a 第一易轴/第三易轴380b 第二易轴/第四易轴390:凸起结构400 倾斜磁场420 垂直磁场440 平方磁场500:感测电路502:偏压电压单元504 钳位电压电流镜单元
506 信号转换放大单元510 零磁场参考器520 磁场传感器A:节点B:节点C:节点D:节点E:节点OPl 第一运算放大器0P2:第二运算放大器0P3:第三运算放大器Ql:第一 PMOSQ2 第二 PMOS/第二运算放大器R:电阻器Rll 传感器件Rl 2:传感器件R21 传感器件R22:传感器件电阻器
具体实施例方式为进一步理解本发明，在本说明中包含附图，这些附图包含于本说明书中并构成本说明书的一部分。这些附图绘示本发明的实施例并与本说明一起用于解释本发明的原理。在本发明中，同时提出一种用以感测磁场的穿隧式磁电阻器结构以及一种在基板上形成积体式3轴穿隧式磁电阻器磁场传感器的配置和方法。提供若干实施例进行说明， 然而，本发明并不仅限于所述实施例。为方便描述与清楚，本发明说明书内容的器件名称全名均以英文简写名称替代， 合先叙明。图3A至图;3B是根据本发明实施例的互补穿隧式磁电阻器(mutual supplement tunneling magneto-resistor,MS-TMR)沿着的易轴处的线的剖视图与俯视图。在图3A至图3B中，互补穿隧式磁电阻器100包括在基板90上由导电材料(例如Ta、Ti、TiN, TaN, Al、Cu、Ru、...等等)形成的底部电极102和由导电材料(例如Ta、Ti、TiN、TaN、Al、Cu、 Ru、...等等)形成的顶部电极106、以及设置于底部电极102与顶部电极106之间的第一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction, MTJ)器件110a及第二磁性穿隧接面器件 110b。第一磁性穿隧接面器件IlOa及第二磁性穿隧接面器件IlOb具有共线的易轴180。第一磁性穿隧接面器件IlOa包括形成于底部电极102上的固定层(pinned layer) 112a，其由磁性材料例如Nii^、C0Fe、Cc^eB、...等等所形成，且具有平行于固定方向140的第一固定磁距114a，所述固定方向140与易轴180夹有45度角。由非磁性材料例如A10、Mg0、. · ·等等所形成的第一穿隧层11 形成于第一固定层11 上。由磁性材料例如NiFe、CoFe、 CoFeB,...等等所形成的第一自由层116a形成于第一穿隧层11 上，且具有在初始时与易轴180平行的第一自由磁距118a。顶部电极106连接第一自由层116a。第二磁性穿隧接面器件IlOb具有与第一磁性穿隧接面器件IlOa相同的图案和磁性薄膜堆栈(film stack)。第二磁性穿隧接面器件IlOb包括形成于底部电极102上而由磁性材料所形成的第二固定层112b，且具有也平行于相同固定方向140的第二固定磁距 114b。由非磁性材料形成的第二穿隧层11 形成于第二固定层112b上。由磁性材料形成的第二自由层116b形成于第二穿隧层11 上，且具有第二自由磁距118b，其在初始时平行于易轴180但与第一自由磁距118a反平行。顶部电极106连接第二自由层116b。金属线路径108跨过第一磁性穿隧接面器件IlOa和第二磁性穿隧接面器件110b， 且可施加设定电流Iset使其产生磁场。施加于第一磁性穿隧接面器件IlOa和第二磁性穿隧接面器件IlOb的磁场都平行于易轴180但在方向上相反，使第一自由磁距118a与第二自由磁距118b设定为反平行。根据以上公开内容，可自方程式⑴获得互补穿隧式磁电阻器100的电导。图4A 至图4B为正规化电导对施加磁场的计算与结果，其中也展示典型穿隧式磁电阻器的电导
以供参考。
Λ MR . Q
Γ ( Λ、1——^ χ sin * _ ,(1)" π , Λ/2ι,其中
0 = 0π/4+03π/4=0Ρ[1+ 1 + MR ](2) Γ G 1+·。《 + 0 G 1 +罢(d一(3) Γ G 1+她。S(宇哨 1 + ^(-C。,_方程式( 和方程式C3)分别是第一磁性穿隧接面器件IlOa和第二磁性穿隧接面器件IlOb的导电率。第一磁性穿隧接面器件IlOa与第二磁性穿隧接面器件IlOb假设具有相同材料参数，其中MR是磁阻比(magneto-resistance ratio), Gp是在自由层磁距平行于固定层磁距时的电导，且θ是在所施加磁场H丄垂直于易轴时自由磁距与易轴之间的
夹角。假定所施加的磁场小于磁性穿隧接面器件的矫顽场(coercivity)!!。，则SinP = ^,
HC
则可如方程式(4)所述，电导与施加磁场呈线性关系。
1 MRH1⑷叫[1+'^r P l+MR图5A至图5B展示互补穿隧式磁电阻器100的微磁学模拟，证明电导与施加磁场的线性关系，其中第一磁性穿隧接面器件IlOa与第二磁性穿隧接面器件IlOb具有相同的椭圆形状(长轴为2微米，且短轴为1微米)、相同的自由层厚度10A、自由层和固定层的饱和磁化量Ms = 1000emu/cc以及固定层的异向性常数Ku = 800erg/cco在此实例中，互补穿隧式磁电阻器100的电导随着所施加磁场的增大而线性的减小。当固定方向反向时，则电导则线性的增大。
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图6是根据本发明实施例的2轴的在平面磁场传感器的附图。在2轴的在平面磁场传感器的以下实施例中，例如所述多个互补穿隧式磁电阻器等的器件被标记为具有重新开始的器件编号以易于描述。X轴磁场传感器包括具有平行于Y轴的第一易轴180和第一固定方向140的第一互补穿隧式磁电阻器100以及第一金属线路径108。Y轴磁场传感器包括具有平行于X轴的第二易轴280和第二固定方向240的第二互补穿隧式磁电阻器200 以及第二金属线路径208。第一固定方向140和第二固定方向240都平行于坐标系的平分方向350，相对于基板上的X轴和Y轴具有45度角。第一互补穿隧式磁电阻器100在本发明的所有实例中都与图3A至图;3B中所述具有相同的结构和编号以易于描述，且下文不再赘述。第一互补穿隧式磁电阻器100包括具有第一固定磁距11 和第一自由磁距118a 的第一磁性穿隧接面器件IlOa ；以及具有第二固定磁距114b和第二自由磁距118b的第二磁性穿隧接面器件110b。第一固定磁距11 和第二固定磁距114b都平行于第一固定方向140。第一自由磁距118a与第二自由磁距118b在初始时是平行于第一易轴180但相互反平行。第二互补穿隧式磁电阻器200与图3A至图;3B中所述具有相同的结构，且包括具有第三固定磁距21 和第三自由磁距218a的第三磁性穿隧接面器件210a ；以及具有第四固定磁距214b和第四自由磁距218b的第四磁性穿隧接面器件210b。第三固定磁距21 和第四固定磁距214b平行于第二固定方向M0。第三自由磁距218a与第四自由磁距218b 在开始时平行于第二易轴280但相互反平行。在图7A至图7C中，描述一 Z轴磁场传感器的俯视图及沿A-A’的剖视图。Z轴磁场传感器295是形成于第一斜面360a上的第一穿隧式磁电阻器310与形成于第二斜面360b 上的第二穿隧式磁电阻器320的并联连接。第一穿隧式磁电阻器310和第二穿隧式磁电阻器320与图IA至图IB中所述的典型穿隧式磁电阻器具有相同结构。第一斜面360a与第二斜面360b相对于基板具有相同的斜角，且相对于基板上的凹槽结构370或凸起结构390 的中轴305具有对称翻转的关系。第一穿隧式磁电阻器310与第二穿隧式磁电阻器320具有相同的图案和相同的磁性薄膜堆栈。第一穿隧式磁电阻器310具有在初始时平行于第一易轴380a的第一自由磁距318和具有平行于第一固定方向340a的第一固定磁距314。第一易轴380a平行于基板上的中轴305，且第一固定方向340a沿第一斜面360a并垂直于第一斜面360a上的第一易轴380a。第二穿隧式磁电阻器320具有在初始时平行于第二易轴 380b的第二自由磁距3 和具有平行于第二固定方向340b的第二固定磁距324。第二易轴380b也平行于基板上的中轴305，且第二固定方向340b沿第二斜面360b并垂直于第二斜面360b上的第二易轴380b。第一固定方向340a和第二固定方向340b都是向上或者向下。因为每一个穿隧式磁电阻器都具有垂直于其易轴的固定方向，所以第一自由磁距318 与第二自由磁距3 在开始时可平行或反平行。第一穿隧式磁电阻器310的磁场感测方向沿第一斜面360a并平行于第一易轴380a的垂直线。同样，第二穿隧式磁电阻器320的磁场感测方向沿第二斜面360b并平行于第二易轴380b的垂直线。第一固定方向314和第二固定方向3M可以在退火工艺期间施加垂直于基板的磁场来设定。图8A至图8B是在本发明中用以说明实施例的斜面相对于基板的几何坐标关系的附图。对于如图8A至图8B中所示的基板上的斜面，可以定义在基板上的方向A沿着于斜面长度方向；在基板上的方向D垂直于基板上的方向A，且与X轴具有方位角α ；垂直于基板的方向为Z轴。此外，从图8Β所示的剖视图来看，方向B可定义为沿斜面与方向D具有斜角β。方向C垂直于斜面。因此，磁场可以用斜面的方向Α、方向B和方向C来表示。根据以上描述，当第一(左侧)穿隧式磁电阻器310和第二(右侧)穿隧式磁电阻器320感测磁场时，则其电导可分别以方程式(5)和方程式(6)来表示。
权利要求
1.一种穿隧式磁电阻器的磁场感测结构，包括 底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，位于所述底部电极上、具有处于固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距， 且所述固定方向与所述易轴之间形成夹角；第二磁性穿隧接面器件与所述第一磁性穿隧接面器件具有相同图案及磁性薄膜结构， 包括磁性材料的第二固定层，位于所述底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述易轴的第二自由磁距；以及顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层，其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态为平行于所述易轴但相互反平行，且所述固定方向与所述易轴之间的所述夹角45度或135度。
2.一种在平面磁场传感器，包括 基板；以及穿隧式磁电阻器的磁场感测结构，位于所述基板上， 其中所述穿隧式磁电阻器的磁场感测结构包括 底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，位于所述底部电极上、具有处于固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距， 且所述固定方向与所述易轴之间形成夹角；第二磁性穿隧接面器件与所述第一磁性穿隧接面器件具有相同图案与磁性薄膜结构， 包括磁性材料的第二固定层，位于所述底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述易轴的第二自由磁距；以及顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层； 其中所述固定方向与所述易轴之间的所述夹角45度或135度， 其中磁场感测方向垂直于所述基板上的所述易轴。
3.根据权利要求2所述的在平面磁场传感器，还包括金属线路径，跨过所述穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件；在初始状态时，以电流通过所述金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述易轴但方向相反的磁场，使得所述第一自由磁距和所述第二自由磁距被设定为沿着所述易轴但相互反平行。
4.一种2轴的在平面磁场传感器，包括 基板；以及第一在平面磁场传感器，其位于所述基板上、具有第一固定方向和第一易轴；以及第二在平面磁场传感器，其位于所述基板上、具有第二固定方向和第二易轴，其中所述第一易轴与所述第二易轴的夹角为90度角，且所述第一固定方向和所述第二固定方向皆平行于平分方向，所述平分方向与所述第一易轴和所述第二易轴的夹角皆为45度角， 其中所述第一在平面磁场传感器包括 第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构，包括 第一底部电极，位于所述基板上； 第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第夹角； 第二磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层，其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间的所述第一夹角45度或135度，其中第一磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第一易轴， 其中所述第二在平面磁场传感器包括 第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构，包括 第二底部电极，位于所述基板上； 第三磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角；第四磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第四固定层，其位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；以及磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及第二顶部电极，其连接所述第三磁性自由层与所述第四磁性自由层； 其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间的所述第二夹角45度或135度， 其中第二磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第二易轴。
5.根据权利要求4所述的2轴的在平面磁场传感器，其中所述第一在平面磁场传感器还包括第一金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件；在初始状态时，以电流通过所述第一金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第一易轴但方向相反的磁场，使得所述第一自由磁距和所述第二自由磁距被设定为沿着所述第一易轴但相互反平行；且所述第二平面内磁场传感器还包括第二金属线路径跨过所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件，其中在初始状态时，以电流通过所述第二金属线路径会在所述第三磁性穿隧接面器件与所述第四磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场，使得所述第三自由磁距和所述第四自由磁距被设定为沿着所述第二易轴但相互反平行。
6.一种感测垂直方向磁场的出平面磁场传感器，包括 基板；以及凹槽或凸起结构，位于所述基板上、具有第一斜面和第二斜面，其中所述第一斜面和所述第二斜面与所述基板具有相同的斜角且相对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系；第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第一斜面上、具有第一固定方向和第一易轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括 第一底部电极，位于所述第一斜面上； 第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第一夹角； 第二磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层，其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行；以及第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第二斜面上、具有第二固定方向和第二易轴，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括 第二底部电极，位于所述第二斜面上； 第三磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角； 第四磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第四固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，设置于所述第四固定层上；以及磁性材料的第四自由层，设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及第二顶部电极，其连接所述第三自由层与所述第四自由层，其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，其中所述第一易轴和所述第二易轴平行于所述凹槽或凸起结构的所述中轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一底部电极与所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第二底部电极相连接，且所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一顶部电极与所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第二顶部电极相连接。
7.根据权利要求6所述的出平面磁场传感器，还包括金属线路径，跨过所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件以及所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件的；在初始状态时，以电流通过所述金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第一易轴但方向相反的磁场与在所述第三磁性穿隧接面器件与所述第四磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场，使得所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一自由磁距和所述第二自由磁距平行于所述第一易轴但相互反平行，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三自由磁距和所述第四自由磁距平行于所述第二易轴、但相互反平行。
8.一种3轴磁场传感器，包括第一在平面磁场传感器，位于基板上以感测X轴向磁场、并具有第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构以及具有第一固定方向和第一易轴，其中所述第一易轴被视为Y轴；以及第二在平面磁场传感器，位于所述基板上以感测Y轴向磁场、并具有第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构以及具有第二固定方向和第二易轴，其中所述第二易轴被视为X轴，其中所述第一易轴与所述第二易轴的夹角为90度角，且所述基板上的平分方向分别与所述第一易轴及所述第二易轴夹有45度角；以及出平面磁场传感器，其位于所述基板上以感测Z轴向磁场、并具有平行于所述平分方向的中轴。
9.根据权利要求8所述的3轴磁场传感器，其中所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括第一底部电极，位于所述基板上； 第一磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；以及磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第一夹角； 第二磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层；其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间的所述第一夹角45度或135度，其中第一磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第一易轴， 其中所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括 第二底部电极，位于所述基板上； 第三磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角； 第四磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第四固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，设置于所述第四固定层上；以及磁性材料的第四自由层，设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及第二顶部电极，连接所述第三自由层与所述第四自由层；其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间的所述第二夹角45度或135度， 其中第二磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第二易轴；其中所述出平面磁场传感器，包括凹槽或凸起结构，位于所述基板上、具有第一斜面和第二斜面，其中所述第一斜面和所述第二斜面相对于所述基板具有相同的斜角且相对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系；第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第一斜面上、具有第三固定方向和第三易轴，所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括 第三底部电极，位于所述第一斜面上； 第五磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第五固定层，位于所述第三底部电极上、具有处于所述第三固定方向上的第五固定磁距；非磁性材料的第五穿隧层，设置于所述第五固定层上；以及磁性材料的第五自由层，设置于所述第五穿隧层上、具有平行于所述第三易轴的第五自由磁距，且所述第三固定方向与所述第三易轴之间形成第三夹角； 第六磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第六固定层，位于所述第三底部电极上、具有处于第四固定方向上的第六固定磁距；非磁性材料的第六穿隧层，设置于所述第六固定层上；以及磁性材料的第六自由层，设置于所述第六穿隧层上、具有平行于所述第三易轴的第六自由磁距；以及第三顶部电极，其连接所述第五自由层与所述第六自由层，其中所述第五自由磁距和所述第六自由磁距在所述初始状态下平行于所述第三易轴但相互反平行；以及第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构，其形成于所述第二斜面上、具有第四固定方向和第四易轴，所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括 第四底部电极，位于所述第二斜面上； 第七磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第七固定层，位于所述第四底部电极上、具有处于第七固定方向上的第七固定磁距；非磁性材料的第七穿隧层，设置于所述第七固定层上；以及磁性材料的第七自由层，设置于所述第七穿隧层上、具有平行于所述第四易轴的第七自由磁距，且所述第四固定方向与所述第四易轴之间形成第四夹角； 第八磁性穿隧接面器件，包括磁性材料的第八固定层，位于所述第四底部电极上、具有处于第八固定方向上的第八固定磁距；非磁性材料的第八穿隧层，设置于所述第八固定层上；以及磁性材料的第八自由层，设置于所述第八穿隧层上、具有平行于所述第四易轴的第八自由磁距；以及第四顶部电极，其连接所述第七自由层与所述第八自由层，其中所述第七自由磁距和所述第八自由磁距在所述初始状态下平行于所述第四易轴但相互反平行，其中所述第三易轴和所述第四易轴平行于所述凹槽或凸起结构的所述中轴，所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三底部电极与所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第四底部电极相连接，且所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三顶部电极与所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第四顶部电极相连接。
10.根据权利要求9所述的3轴磁场传感器，还包括可流通电流以产生磁场的第一金属线、第二金属线和第三金属线，藉以分别将所述第一自由磁距和所述第二自由磁距的初始状态设定为平行于所述第一易轴但相互反平行，且将所述第三自由磁距和所述第四自由磁距的初始状态设定为平行于所述第二易轴但相互反平行，将所述第五自由磁距和所述第六自由磁距的初始状态设定为平行于所述第三易轴但相互反平行，且将所述第七自由磁距和所述第八自由磁距的初始状态设定为平行于所述第四易轴但相互反平行。
11.一种用于制作磁场感测结构的方法，其中所述磁场感测结构是根据权利要求9所述的3轴磁场传感器，所述方法包括以单次退火步骤，同时设定所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构至所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一固定方向至所述第四固定方向。
12.根据权利要求11所述的用于制作磁场感测结构的方法，其中所述单次退火步骤包括沿着具有方位角α = η/4和仰角Y = tan"1 (sin β)的方向施加倾斜磁场，其中所述方位角α为所述平分方向与所述X轴或所述Y轴之间的夹角，所述仰角γ为所述倾斜磁场与垂直于所述基板的所述Z轴之间的夹角，且参数β为所述第一斜面或所述第二斜面相对于所述基板的斜角。
13.根据权利要求11所述的用于制作磁场感测结构的方法，其中所述单次退火步骤包括通过沿着所述平分方向的水平磁场Haz和沿着所述Z轴的垂直磁场Hz来同时施加双重磁场，其中所述水平磁场与所述垂直磁场之间的关系是Haz = I sini3，且所述参数β是所述第一斜面或所述第二斜面相对于所述基板的所述斜角。
14.一种磁场感测电路，用于将所感测磁场转换为电子信号的，包括第一磁场传感器根据权利要求2所述的在平面磁场传感器或根据权利要求6所述的出平面磁场传感器的所述；第二磁场传感器，与所述第一磁场传感器具有相同结构，其中所述自由磁距在感测磁场期间被在所述金属路径中流动的电流所产生的磁场锁定成为零磁场参考器；偏压电压单元，具有第一输出端和第二输出端，其中所述第一输出端连接至所述零磁场参考器和所述磁场传感器的所述底部电极，且所述第二输出端提供固定电位；钳位电压电流镜，具有输入端以及第一输出端和第二输出端，其中所述输入端接合至所述偏压电压单元的所述第二输出端以接收所述固定电位，且所述第一输出端接合至所述零磁场参考器的所述顶部电极；以及信号转变放大单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接合至所述偏压电压单元的所述第二输出端以接收所述固定电位，所述第二输入端接合至所述磁场传感器的所述顶部电极和所述钳位电压电流镜的所述第二输出端，且所述输出端的电位为零磁场时的电位与所感测磁场转换后的感测电压的相加。
15.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述偏压电压单元包括偏压电压源； 分压器，包括相同值的第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，串联连接于电压源与接地之间，其中所述第二电阻器与所述第三电阻器的接合节点是所述偏压电压单元的第二输出端，且固定电位是所述电压源的一半；以及运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端并充当所述偏压电压单元的第一输出端，所述第一输入端连接至所述第三电阻器与所述第四电阻器的接合节点，第五电阻器连接于所述输出端与所述第二输入端之间，第六电阻器连接于所述第二输入端与所述偏压电压源之间，其中所述第二输出端的电位为所述电源电压源的一半减去所述偏压电压源。
16.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述钳位电压电流镜包括 第一晶体管，具有第一栅极和第一漏极并充当所述钳位电压电流镜的第一输出端； 第二晶体管，具有第二栅极连接至所述第一晶体管的所述第一栅极，以及第二漏极并充当所述钳位电压电流镜的第二输出端，其中自所述第一晶体管的所述第一汲级输出至所述零磁场参考器的零磁场参考电流被镜像至所述第二晶体管且自所述第二漏极输出；以及运算放大器，具有所述第一输入端和所述第二输入端以及输出端，其中所述输出端连接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的所述第一与第二栅极，所述第一输入端充当所述钳位电压电流镜的所述输入端，所述第二输入端连接至所述偏压电压单元的所述第一输出端。
17.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述信号转变放大单元包括 运算放大器，具有所述第一输入端、所述第二输入端及所述一输出端，并分别充当所述信号转变放大单元的第一输入端，第二输入端及输出端；其中所述第一输入端连接到所述偏压电压单元的所述第二输出端，所述第二输入端连接至所述钳位电压电流镜的所述第二输出端；以及电阻器，连接于所述运算放大器的所述第二输入端与所述输出端之间； 其中自所述输出端流入或流出的感测电流，通过所述电阻器而转换并放大为感测电压，所述输出端的所述输出电位是所述感测电压与所述第一输入端的所述固定电位相加。
全文摘要
穿隧磁阻结构以及集成式3轴向磁场传感器与其制造方法。在基板上的穿隧磁阻(TMR)结构，包括具有相同图案和相同磁性薄膜堆栈的两个磁性穿隧接面(MTJ)器件，位于同一导电性底部电极上以及并联连接的导电性顶部电极。每个磁性穿隧接面器件包括固定层，其位于所述底部电极上、具有固定磁距；非磁性穿隧层，其位于所述固定层上；以及自由层，其位于所述穿隧层上、且具有自由磁距。这两个磁性穿隧接面器件具有共线的易轴，且其固定磁距都平行于同一固定方向，所述同一固定方向与易轴具有45度角；在初始时以电流产生的磁场使其自由磁距平行于所述易轴但方向相互反平行。磁场感测方向垂直于基板上的所述易轴。
文档编号G01R33/09GK102435960SQ20111026194
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月17日
发明者陈永祥, 颜诚廷 申请人:财团法人工业技术研究院