CN118311484B - 一种磁阻元件、磁阻传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场测量技术领域，公开了一种磁阻元件、磁阻传感器及其制造方法。磁阻元件包括基板、具有对称封闭区域的第一磁通聚集器和第二磁通聚集器、多个第一磁堆叠及第二磁堆叠；各第一磁堆叠邻近第一磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第一磁通聚集器的内侧，相邻的第一磁堆叠的灵敏轴呈轴对称；各第二磁堆叠邻近第二磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第二磁通聚集器的外侧；各第一磁堆叠及第二磁堆叠经耦接形成的惠斯通电桥的输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场。本发明的磁阻元件通过改变各第一磁堆叠及第二磁堆叠的耦接方式使得磁阻元件具有不同的磁场灵敏，实现了一体成型得到具有三轴灵敏的磁阻传感器，具有高的测量精度。

Description

一种磁阻元件、磁阻传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种磁阻元件、磁阻传感器及其制造方法。

背景技术

磁敏传感器广泛应用于定位、角度检测、速度检测、加速度检测、力测量以及磁存储等各领域。按测量原理的不同，磁敏传感器可分为：基于半导体材料霍尔效应的磁敏传感器、基于各向异性磁电阻效应（AMR）的磁阻传感器、基于巨磁电阻效应（GMR）的磁阻传感器以及基于隧穿磁电阻效应（TMR）的磁阻传感器等。其中，磁阻传感器因灵敏度高、功耗小等具有广泛的用途。

磁场本身是一个矢量场，磁阻传感器通常涉及空间X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁场信号测量。

基于AMR、GMR或TMR的磁阻传感器只能对三维空间中单一方向的磁场进行探测；在对空间X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁场信号测量时，需要先分别形成X轴磁阻传感器、Y轴磁阻传感器及Z轴磁阻传感器，然后经组装方法制造得到三轴磁阻传感器。该三轴磁阻传感器的位置精度较低，影响了传感器的测量精度。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁阻元件、磁阻传感器及其制造方法，旨在解决现有磁阻传感器无法对X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场灵敏，在组装成三轴磁阻传感器时因位置精度较低影响传感器测量精度的问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种磁阻元件，所述磁阻元件包括：

基板，具有基板平面；

具有对称封闭区域的第一磁通聚集器及第二磁通聚集器，其位于所述基板的上方；

多个第一磁堆叠，各所述第一磁堆叠位于所述基板的上方且邻近所述第一磁通聚集器的外侧的位置，其灵敏轴均朝向所述第一磁通聚集器的内侧；相邻的所述第一磁堆叠的灵敏轴呈轴对称；

多个第二磁堆叠，各所述第二磁堆叠位于所述基板的上方且邻近所述第二磁通聚集器的外侧的位置，其灵敏轴均朝向所述第二磁通聚集器的外侧；相邻的所述第二磁堆叠的灵敏轴方向呈轴对称；

各所述第一磁堆叠及所述第二磁堆叠经耦接形成惠斯通电桥，其输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场；其中，所述X轴磁场与所述Y轴磁场的磁场方向彼此垂直且平行于所述基板平面，所述Z轴磁场的磁场方向垂直于所述基板平面。

根据本发明的一些实施例，各所述第一磁堆叠的灵敏轴由所述第一磁堆叠向所述第一磁通聚集器的中心方向延伸，其与所述X轴磁场的磁场方向呈第一夹角或其余角；所述第一夹角为锐角。

根据本发明的一些实施例，各所述第二磁堆叠的灵敏轴由所述第一磁通聚集器的中心向所述第一磁堆叠的方向延伸，其与所述X轴磁场的磁场方向呈所述第一夹角或其余角。

根据本发明的一些实施例，各所述第一磁堆叠中磁堆叠一、磁堆叠二、磁堆叠三、磁堆叠四呈顺时针排列；其中，所述磁堆叠一与所述磁堆叠二的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠三与所述磁堆叠四的灵敏轴对称轴均平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠三与所述磁堆叠二的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠一与所述磁堆叠四的灵敏轴对称轴均平行于所述X轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，各所述第二磁堆叠中磁堆叠五、磁堆叠六、磁堆叠七、磁堆叠八呈顺时针排列；其中，所述磁堆叠五与所述磁堆叠六的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠七与所述磁堆叠八的灵敏轴对称轴均平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠六与所述磁堆叠七的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠五与所述磁堆叠八的灵敏轴对称轴均平行于所述X轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，所述磁堆叠一的灵敏轴方向与所述磁堆叠七的灵敏轴方向平行，其与所述X轴磁场的磁场方向的夹角为锐角。

根据本发明的一些实施例，所述磁堆叠一与所述磁堆叠二串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠三与所述磁堆叠四串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述Y轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，所述磁堆叠一与所述磁堆叠四串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠三与所述磁堆叠二串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述X轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，所述磁堆叠五与所述磁堆叠六串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠七与所述磁堆叠八串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述Y轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，所述磁堆叠五与所述磁堆叠八串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠七与所述磁堆叠六所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述X轴磁场的磁场方向。

根据本发明的一些实施例，所述第一磁通聚集器呈圆环型；各所述第一磁堆叠与所述第一磁通聚集器的边缘的距离相同，使得其对所述Z轴磁场灵敏且具有相同的第一响应。

根据本发明的一些实施例，所述第二磁通聚集器呈圆环型；各所述第二磁堆叠与所述第二磁通聚集器的边缘的距离相同，使得其对所述Z轴磁场灵敏且具有相同的第二响应；所述第二响应与所述第一响应的值相反。

根据本发明的一些实施例，所述磁阻元件还包括多个开关单元；各所述开关单元位于所述基板上方，与各所述第一磁堆叠及各所述第二磁堆叠电耦接，构成不同的惠斯通电桥，使得所述磁阻元件在构成第一惠斯通电桥时对X轴磁场灵敏，在构成第二惠斯通电桥时对Y轴磁场灵敏，以及在构成第三惠斯通电桥时对Z轴磁场灵敏；所述惠斯通电桥包括相互耦接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂及第四桥臂。

根据本发明的一些实施例，在构成所述第一惠斯通电桥时，所述磁堆叠二与所述磁堆叠三串联耦接成所述第一桥臂，所述磁堆叠一与所述磁堆叠四串联耦接成所述第二桥臂，所述磁堆叠五与所述磁堆叠八串联耦接成所述第三桥臂，所述磁堆叠六与所述磁堆叠七串联耦接成所述第四桥臂。

根据本发明的一些实施例，在构成所述第二惠斯通电桥时，所述磁堆叠一与所述磁堆叠二串联耦接成所述第一桥臂，所述磁堆叠四与所述磁堆叠三串联耦接成所述第二桥臂，所述磁堆叠八与所述磁堆叠七串联耦接成所述第三桥臂，所述磁堆叠五与所述磁堆叠六串联耦接成所述第四桥臂。

根据本发明的一些实施例，在构成所述第三惠斯通电桥时，各所述第一磁堆叠中所述磁堆叠一与所述磁堆叠二或所述磁堆叠三或所述磁堆叠四串联耦接成所述第一桥臂，其余的所述第一磁堆叠串联耦接成所述第三桥臂；各所述第二磁堆叠中所述磁堆叠五与所述磁堆叠六或所述磁堆叠七或所述磁堆叠八串联耦接成所述第二桥臂，其余的所述第二磁堆叠串联耦接成所述第四桥臂。

根据本发明的一些实施例，所述开关单元为MOS开关。

根据本发明的一些实施例，所述第一磁堆叠及所述第二磁堆叠为AMR、TMR或GMR中的一种；所述第一磁通聚集器及所述第二磁通聚集器的材质为软磁材料。

为实现上述目的，本发明的第二方面提供一种磁阻元件的制造方法，所述制造方法包括：

（1）在基板上形成多层膜，经流片得到多个磁堆叠；

（2）在基板上形成对称封闭区域的第二磁通聚集器及第三磁通聚集器，其中，各所述磁堆叠中第二磁堆叠邻近所述第二磁通聚集器的外侧位置，各所述磁堆叠中第一磁堆叠邻近所述第三磁通聚集器的内侧位置；

（3）进行高温磁场退火，使得各所述第一磁堆叠的灵敏轴朝向所述第三磁通聚集器的内侧，各所述第二磁堆叠的灵敏轴朝向所述第二磁通聚集器的外侧；

（4）移除所述第三磁通聚集器，并在各所述第一磁堆叠的内侧形成与所述第三磁通聚集器同心的第一磁通聚集器，得所述磁阻元件。

为实现上述目的，本发明的第二方面提供一种磁阻传感器，所述磁阻传感器包括磁阻元件，所述磁阻元件为上述的磁阻元件，或，采用上述的制造方法所制得的磁阻元件。

综上，本发明公开的磁阻元件包括基板、具有对称封闭区域的第一磁通聚集器和第二磁通聚集器、多个第一磁堆叠及多个第二磁堆叠；各第一磁堆叠邻近第一磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第一磁通聚集器的内侧，相邻的第一磁堆叠的灵敏轴呈轴对称；各第二磁堆叠邻近第二磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第二磁通聚集器的外侧。各第一磁堆叠及第二磁堆叠经耦接形成的惠斯通电桥的输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场。本发明的磁阻元件通过改变各第一磁堆叠及第二磁堆叠的耦接方式使得磁阻元件具有不同的磁场灵敏，实现了一体成型得到具有三轴灵敏的磁阻传感器，具有较高测量精度，可避免因位置精度低导致的测量精度不高的问题。

附图说明

图1为本发明实施例磁阻元件的结构示意图；

图2为本发明实施例磁阻元件的又一结构示意图；

图3为本发明实施例磁阻元件在+X轴磁场下的响应示意图；

图4为本发明实施例磁阻元件的对X轴磁场灵敏的第一惠斯通电桥结构示意图；

图5为本发明实施例磁阻元件在+Y轴磁场下的响应示意图；

图6为本发明实施例磁阻元件的对Y轴磁场灵敏的第二惠斯通电桥结构示意图；

图7为本发明实施例磁阻元件在+Z轴磁场下的响应示意图；

图8为本发明实施例磁阻元件的对Z轴磁场灵敏的第二惠斯通电桥结构示意图；

图9为本发明实施例磁阻元件的制造方法中步骤S100得到的磁堆叠结构示意图；

图10为本发明实施例磁阻元件的制备方法中步骤S300得到的磁堆叠结构示意图；

图11为本发明又一实施例磁阻元件的结构示意图；

图12为本发明又一实施例磁阻元件在用于X轴磁场测量时的结构示意图；

图13为本发明又一实施例磁阻元件在用于Y轴磁场测量时的结构示意图；

图14为本发明又一实施例磁阻元件在用于Z轴磁场测量时的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

磁场本身是一个矢量场，磁阻传感器通常涉及空间X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁场信号测量。

由于TMR磁阻传感器的磁场敏感方向（即灵敏轴方向）在薄膜平面内，在对空间X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁场信号测量时，需要先分别形成X轴磁阻传感器、Y轴磁阻传感器及Z轴磁阻传感器，然后经组装方法制造得到三轴磁阻传感器。该三轴磁阻传感器的位置精度较低，影响了传感器的测量精度。

本发明实施例的目的在于提供一种能够对X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场灵敏的磁阻元件，将其应用于三轴磁阻传感器，不需要组装，可通过一体成型得到具有高测量精度的三轴磁阻传感器。

如图1所示，本发明实施例提供的磁阻元件包括基板100、第一磁通聚集器310、第二磁通聚集器320、多个第一磁堆叠210及多个第二磁堆叠220。

其中，基板100具有基板平面，彼此垂直的X轴、Y轴均平行于该基板平面。

第一磁通聚集器310及第二磁通聚集器320均具有对称封闭区域。该第一磁通聚集器310及第二磁通聚集器320均位于基板100的上方。

需要说明的是，本发明实施例的第一磁通聚集器及第二磁通聚集器所采用的材质均为软磁材料。该软磁材料可以为NiFe或其他材质，此处不具体限定。

该第一磁通聚集器310可以为圆环形，与各第一磁堆叠210的边缘的距离相同，使得各第一磁堆叠210对相同的Z轴磁场具有相同的响应信号更加易于实现。该第一磁通聚集器310也可以为其他形状，此处不做具体限定。

该第二磁通聚集器320具有与第一磁通聚集器相同的形状，如圆环形。各第二磁堆叠220与第二磁通聚集器320的距离应相同且等于第一磁堆叠210与第一磁通聚集器310的距离。进而使得第一磁堆叠210对Z轴磁场的第一响应与第二磁堆叠220对Z轴磁场的第二响应的值相反。

各第一磁堆叠210位于基板100的上方且邻近第一磁通聚集器310的外侧的位置，其灵敏轴均平行于基板平面且朝向第一磁通聚集器310的内侧；相邻的第一磁堆叠210的灵敏轴呈轴对称。

该第一磁堆叠及第二磁堆叠为基于同一磁阻效应、具有相同结构的磁阻，可以为AMR、TMR或GMR中的一种，其灵敏轴均为平行于基板平面。

需要说明的是，各第一磁堆叠的灵敏轴是由第一磁堆叠向第一磁通聚集器的中心方向延伸，各第一磁堆叠的灵敏轴方向与X轴方向呈第一夹角或其余角；第一夹角为锐角，可以为45度角或其他0~90度之间的任一角度。

各第二磁堆叠220位于基板100的上方且邻近第二磁通聚集器320的外侧的位置，其灵敏轴均平行于基板平面且朝向第二磁通聚集器320的外侧；相邻的第二磁堆叠的灵敏轴方向呈轴对称。

需要说明的是，各第二磁堆叠220的灵敏轴由第二磁通聚集器310的中心向第二磁堆叠220的方向延伸，各第二磁堆叠220的灵敏轴与X轴方向呈第一夹角或其余角。

如图2所示，本发明实施例的磁阻元件包括4个第一磁堆叠：磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213、磁堆叠四214，该磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213、磁堆叠四214绕着第一磁通聚集器310顺时针排列，且位于该第一磁通聚集器310的外侧；其中，第一磁堆叠211分别与第二磁堆叠212及第四磁堆叠214相邻，第三磁堆叠分别与第二磁堆叠212及第四磁堆叠214相邻。

本发明实施例的磁阻元件中，磁堆叠一211与磁堆叠二212的灵敏轴呈Y轴对称，磁堆叠一211与磁堆叠四214的灵敏轴呈X轴对称；磁堆叠三213与磁堆叠二212的灵敏轴呈X轴对称，磁堆叠三213与磁堆叠四的灵敏轴呈Y轴对称。

如图2所示，本发明实施例的磁阻元件包括4个第二磁堆叠：磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224，该磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224绕着第二磁通聚集器320顺时针排列，且位于该第二磁通聚集器320的外侧；其中，第五磁堆叠221分别与第六磁堆叠222及第八磁堆叠224相邻，第七磁堆叠223分别与第六磁堆叠222及第八磁堆叠224相邻。

本发明实施例的磁阻元件中，磁堆叠五221与磁堆叠六222的灵敏轴呈Y轴对称，磁堆叠五221与磁堆叠八224的灵敏轴呈X轴对称；磁堆叠七223与磁堆叠六222的灵敏轴呈X轴对称，磁堆叠七223与磁堆叠八的灵敏轴呈Y轴对称。

本发明实施例的磁阻元件中磁堆叠一与磁堆叠七的灵敏轴方向平行，其灵敏轴方向与X轴的夹角均为锐角。

本发明实施例的磁阻元件能够对X轴磁场灵敏，使得其输出信号能够线性响应于X轴磁场。

如图3所示，当+X轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+X轴方向，外部磁场作用于磁堆叠一211、磁堆叠四214、磁堆叠六222及磁堆叠七223的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相同，由于其灵敏轴与X轴方向的夹角相同，其电阻均减少了△R₁；外部磁场作用于磁堆叠二、磁堆叠三、磁堆叠五及磁堆叠八的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相反，由于其灵敏轴与X轴方向的夹角相同，其电阻均增加了△R₁；其中，该△R₁与X轴磁场的强弱有关。

因此，磁堆叠一211、磁堆叠四214、磁堆叠六222及磁堆叠七223中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于X轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为+X轴方向；磁堆叠二212、磁堆叠三213、磁堆叠五221及磁堆叠八224中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于X轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为-X轴方向。

本发明实施例中，磁堆叠一211与磁堆叠四214串联耦接所形成的磁阻及磁堆叠三213与磁堆叠二212串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于X轴磁场的磁场方向。

本发明实施例中，磁堆叠五221与磁堆叠八224串联耦接所形成的磁阻及磁堆叠七223与磁堆叠六222所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于X轴磁场的磁场方向。

本发明实施例的磁阻元件中各第一磁堆叠210、各第二磁堆叠220经电耦接构成的具有相互耦接的第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3及第四桥臂L4的惠斯通电桥为图4所示的第一惠斯通电桥时，磁堆叠二212与磁堆叠三213串联耦接成第一桥臂，磁堆叠一211与磁堆叠四214串联耦接成第二桥臂L2，磁堆叠五221与磁堆叠八224串联耦接成第三桥臂L3，磁堆叠六222与磁堆叠七223串联耦接成第四桥臂L4。

当+X轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+X轴方向，该第一桥臂L1的电阻增加了2△R₁，第二桥臂L2的电阻减小了2△R1，第三桥臂L3的电阻增加了2△R₁，第四桥臂L2的电阻减小了2△R₁，因此，该第一惠斯通电桥能够对X轴磁场灵敏。

本发明实施例的磁阻元件能够对Y轴磁场灵敏，使得其输出信号能够线性响应于Y轴磁场。

如图5所示，当+Y轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+Y轴方向，外部磁场作用于磁堆叠三213、磁堆叠四214、磁堆叠六222及磁堆叠五221的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相同，由于其灵敏轴与Y轴方向的夹角相同，其电阻均减少了△R₂；外部磁场作用于磁堆叠二212、磁堆叠一211、磁堆叠七223及磁堆叠八224的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相反，由于其灵敏轴与X轴方向的夹角相同，其电阻均增加了△R₂；其中，该△R₂与Y轴磁场的强弱有关。

因此，磁堆叠三213、磁堆叠四214、磁堆叠六222及磁堆叠五221中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于Y轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为+Y轴方向；磁堆叠二212、磁堆叠一211、磁堆叠七223及磁堆叠八224中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于Y轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为-Y轴方向。

在本发明实施例中，磁堆叠一211与磁堆叠二212串联耦接所形成的磁阻及磁堆叠三213与磁堆叠四214串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于Y轴磁场的磁场方向。

在本发明实施例中，磁堆叠五221与磁堆叠六222串联耦接所形成的磁阻及磁堆叠七223与磁堆叠八224串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于Y轴磁场的磁场方向。

本发明实施例的磁阻元件中各第一磁堆叠210、各第二磁堆叠220经电耦接构成的具有相互耦接的第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3及第四桥臂L4的惠斯通电桥为图6所示的第二惠斯通电桥时，磁堆叠二212与磁堆叠一211串联耦接成第一桥臂，磁堆叠三213与磁堆叠四214串联耦接成第二桥臂L2，磁堆叠七223与磁堆叠八224串联耦接成第三桥臂L3，磁堆叠六222与磁堆叠五221串联耦接成第四桥臂L4。

当+Y轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+Y轴方向，该第一桥臂L1的电阻增加了2△R₂，第二桥臂L2的电阻减小了2△R₂，第三桥臂L3的电阻增加了2△R₂，第四桥臂L2的电阻减小了2△R₂，因此，该第二惠斯通电桥能够对Y轴磁场灵敏。

本发明实施例的磁阻元件能够对Z轴磁场灵敏，使得其输出信号能够线性响应于Z轴磁场。

如图7所示，当+Z轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+Y轴方向，外部磁场作用于磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相同，由于第一磁通聚集器为对称封闭区域，其电阻均减少了△R3；外部磁场作用于磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223及磁堆叠八224的灵敏轴方向的分磁场分别与其灵敏轴方向相反，由于第一磁通聚集器为对称封闭区域，其电阻均增加了△R₃；其中，该△R₃与Z轴磁场的强弱有关。

因此，磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于Z轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为-Z轴方向；磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223及磁堆叠八224中任两个磁堆叠经串联耦合后的磁阻对平行于Z轴的磁场灵敏，其灵敏轴方向为+Z轴方向。

本发明实施例的磁阻元件中各第一磁堆叠210、各第二磁堆叠220经电耦接构成的具有相互耦接的第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3及第四桥臂L4的惠斯通电桥为图8所示的第三惠斯通电桥时，磁堆叠二212与磁堆叠一211串联耦接成第一桥臂，磁堆叠六222与磁堆叠五221串联耦接成第二桥臂L2，磁堆叠三213与磁堆叠四214串联耦接成第三桥臂L3，磁堆叠七223与磁堆叠八224串联耦接成第四桥臂L4。

当+Z轴磁场作用于本发明实施例的磁阻元件时，外部磁场方向为+Z轴方向，该第一桥臂L1的电阻增加了2△R₃，第二桥臂L2的电阻减小了2△R₃，第三桥臂L3的电阻增加了2△R₃，第四桥臂L2的电阻减小了2△R₃，因此，该第二惠斯通电桥能够对Z轴磁场灵敏。

因此，本发明实施例的各第一磁堆叠210及第二磁堆叠220经耦接形成惠斯通电桥，通过改变各第一磁堆叠及第二磁堆叠的耦接方式，可以使得磁阻元件具有不同的磁场灵敏，磁阻元件的输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场，其中X轴磁场与Y轴磁场的磁场方向彼此垂直且平行于基板平面，Z轴磁场的磁场方向垂直于基板平面。

在本发明的一些实施例中，磁阻元件还包括多个开关单元。开关单元沉积于基板的上方，用于与各第一磁堆叠、各第二磁堆叠电耦接，使得各第一磁堆叠不直接串联耦接，由该开关单元控制各第一磁堆叠、第二磁堆叠的串联耦接，进而控制磁阻元件的实时耦接关系、控制磁阻元件的实时灵敏磁场。

需要说明的是，开关单元可以为MOS开关或基于其他开关原理制得的元器件。

通过开关单元，本发明实施例的磁阻元件可以在较短时间内通过开关单元的状态变化，获取到当前的X轴磁场、Y轴磁场及Z轴磁场的响应情况。

本发明实施例的磁阻元件如图11所示，该磁阻元件包括开关单元S1~S18；磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213、磁堆叠四214、磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223及磁堆叠八224通过15个导线单元0~14与各开关单元S1~S8电耦接。

本发明实施例的磁阻元件在用于对X轴磁场进行测量时的结构示意图如图12所示，各开关单元中，S2、S4、S7、S8、S10、S11、S16、S18呈闭合状态，其余10个开关单元呈断开状态，进而使得本发明实施例的磁阻元件具有第一惠斯通电桥结构。

本发明实施例的磁阻元件在用于对Y轴磁场进行测量时的结构示意图如图13所示，各开关单元中，S3、S5、S6、S10、S11、S13、S14、S17呈闭合状态，其余10个开关单元呈断开状态，进而使得本发明实施例的磁阻元件具有第二惠斯通电桥结构。

本发明实施例的磁阻元件在用于对Z轴磁场进行测量时的结构示意图如图14所示，各开关单元中，S1、S5、S6、S9、S12、S13、S14、S15呈闭合状态，其余10个开关单元呈断开状态，进而使得本发明实施例的磁阻元件具有第一惠斯通电桥结构。

本发明实施例还提供了上述的磁阻元件的制造方法。

具体地，该磁阻元件的制造方法，包括：

步骤S100：在基板上形成多层膜，经流片得到多个磁堆叠；

具体地，以1mm的Si/SiO₂衬底作为基板，通过磁控溅射在基板上依次沉积，得到多层膜；通过流片，得到8个按一定顺序排列的磁堆叠。该磁堆叠包括钉扎层、参考层、隧穿层、自由层。

本步骤所得到的磁堆叠的结构示意图如图9所示，磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213、磁堆叠四214为一组，四个磁堆叠呈顺时针排列，相邻的磁堆叠呈轴对称排列；磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224为一组，四个磁堆叠呈顺时针排列，相邻的磁堆叠呈轴对称排列。

步骤S200：在基板上形成对称封闭区域的第二磁通聚集器及第三磁通聚集器，其中，各磁堆叠中第二磁堆叠邻近第二磁通聚集器的外侧位置，各磁堆叠中第一磁堆叠邻近第三磁通聚集器的内侧位置；

具体地，磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214的外侧边缘位置沉积第三磁通聚集器330；该第三磁通聚集器330为具有对称环形结构。

磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224的内侧边缘位置沉积第二磁通聚集器320；该第二磁通聚集器320的直径小于第三磁通聚集器330的直径。

步骤S300：进行高温磁场退火，使得第一磁堆叠的灵敏轴朝向第三磁通聚集器的内侧，各第二磁堆叠的灵敏轴朝向第二磁通聚集器的外侧；

具体地，将基板100置于高温环境、高磁场环境中退火，退火温度高于钉扎层的奈尔温度。用于退火的磁场的方向为Z轴方向。由于磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214靠近第三磁通聚集器330的内侧，经磁场退火后，其灵敏轴方向均朝向第三磁通聚集器330的内侧；由于磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224靠近第二磁通聚集器320的外侧，经磁场退火后，其灵敏轴方向朝向第三磁通聚集器的内侧。

本步骤得到的磁堆叠结构示意图如图10所示，各第一磁堆叠及各第二磁堆叠的灵敏轴方向得到确定，磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214的灵敏轴方向均朝向第三磁通聚集器的内侧，即由磁堆叠本身朝向第三磁通聚集器的中心位置的方向；磁堆叠五221、磁堆叠六222、磁堆叠七223、磁堆叠八224的灵敏轴方向均朝向第二磁通聚集器的外侧，即由第二磁通聚集器的中心位置朝向磁堆叠本身的方向。

步骤S400：移除第三磁通聚集器，并在各第一磁堆叠的内侧形成与第三磁通聚集器同心的第一磁通聚集器，得磁阻元件。

具体地，在基体上移除第三磁通聚集器300，然后在磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214的内侧形成第一磁通聚集器；该第一磁通聚集器与第三磁通聚集器为同心的，其与磁堆叠一211、磁堆叠二212、磁堆叠三213及磁堆叠四214的距离相等。

本发明实施例的磁阻元件如是固定为X轴磁场灵敏或Y轴磁场灵敏或Z轴磁场的，则在步骤S100形成多个磁堆叠时，预先完成各磁堆叠之间的耦接关系。如，将磁堆叠一及磁堆叠四串联耦合、磁堆叠二及磁堆叠三串联耦合、磁堆叠五与磁堆叠八串联耦合以及磁堆叠六与磁堆叠七串联耦合，进而得到X轴磁场灵敏的磁阻元件。

本发明实施例的磁阻元件如是灵敏磁场需要变换的，则在步骤S100形成多个磁堆叠的同时，如图11所示的，设置开关单元及相应的电导线。

本发明实施例还提供的一种磁阻传感器，该磁阻传感器包括磁阻元件，该磁阻元件为上述提供的磁阻元件或采用上述的制造方法所制得的磁阻元件。

本发明的实施例提供的磁阻传感器中磁阻元件可以是对X轴磁场灵敏的磁阻元件，使得该磁阻传感器可用于X轴磁场测量；也可以是对Y轴磁场灵敏的磁阻元件，使得该磁阻传感器可用于Y轴磁场测量；也可以是对Z轴磁场零民的磁阻元件，使得该磁阻传感器可用于Z轴磁场测量。

本发明实施例提供的磁阻传感器可以包括一个对X轴磁场灵敏的磁阻元件，以及一个对Y轴磁场灵敏的磁阻元件，使得该磁阻传感器可用于XY轴磁场测量。

本发明实施例提供的磁阻传感器可以包括三个磁阻元件，该三个磁阻元件分别对X轴磁场灵敏、对Y轴磁场灵敏及对Z轴磁场灵敏，使得该磁阻传感器可用于三轴磁场测量。

该磁阻传感器中磁阻元件可一体成型在基板上，且各磁阻元件均具有惠斯通电桥结构。

综上，本发明公开的磁阻元件包括基板、具有对称封闭区域的第一磁通聚集器和第二磁通聚集器、多个第一磁堆叠及多个第二磁堆叠；各第一磁堆叠邻近第一磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第一磁通聚集器的内侧，相邻的第一磁堆叠的灵敏轴呈轴对称；各第二磁堆叠邻近第二磁通聚集器的外侧，灵敏轴均朝向第二磁通聚集器的外侧。各第一磁堆叠及第二磁堆叠经耦接形成的惠斯通电桥的输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场。本发明的磁阻元件通过改变各第一磁堆叠及第二磁堆叠的耦接方式使得磁阻元件具有不同的磁场灵敏，实现了一体成型得到具有三轴灵敏的磁阻传感器，具有较高测量精度，可避免因位置精度低导致的测量精度不高的问题。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

Claims (8)

1.一种磁阻元件，其特征在于，包括：

基板，具有基板平面；

具有对称封闭区域的第一磁通聚集器及第二磁通聚集器，其位于所述基板的上方；

多个第一磁堆叠，各所述第一磁堆叠位于所述基板的上方且邻近所述第一磁通聚集器的外侧的位置，其灵敏轴均朝向所述第一磁通聚集器的内侧；相邻的所述第一磁堆叠的灵敏轴呈轴对称；

多个第二磁堆叠，各所述第二磁堆叠位于所述基板的上方且邻近所述第二磁通聚集器的外侧的位置，其灵敏轴均朝向所述第二磁通聚集器的外侧；相邻的所述第二磁堆叠的灵敏轴方向呈轴对称；

各所述第一磁堆叠及所述第二磁堆叠经耦接形成惠斯通电桥，其输出信号能够线性响应于X轴磁场、Y轴磁场或Z轴磁场；其中，所述X轴磁场与所述Y轴磁场的磁场方向彼此垂直且平行于所述基板平面，所述Z轴磁场的磁场方向垂直于所述基板平面；

其中，所述多个第一磁堆叠包括磁堆叠一、磁堆叠二、磁堆叠三、磁堆叠四；所述磁堆叠一与所述磁堆叠二串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠三与所述磁堆叠四串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠一与所述磁堆叠四串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠三与所述磁堆叠二串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述X轴磁场的磁场方向；

所述多个第二磁堆叠包括磁堆叠五、磁堆叠六、磁堆叠七、磁堆叠八；所述磁堆叠五与所述磁堆叠六串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠七与所述磁堆叠八串联耦接所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠五与所述磁堆叠八串联耦接所形成的磁阻及所述磁堆叠七与所述磁堆叠六所形成的磁阻具有的灵敏轴彼此方向相反，且平行于所述X轴磁场的磁场方向；

所述第一磁通聚集器呈圆环型；各所述第一磁堆叠与所述第一磁通聚集器的边缘的距离相同，使得其对所述Z轴磁场灵敏且具有相同的第一响应；

所述第二磁通聚集器呈圆环型；各所述第二磁堆叠与所述第二磁通聚集器的边缘的距离相同，使得其对所述Z轴磁场灵敏且具有相同的第二响应；所述第二响应与所述第一响应的值相反。

2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

各所述第一磁堆叠的灵敏轴由所述第一磁堆叠向所述第一磁通聚集器的中心方向延伸，其与所述X轴磁场的磁场方向呈第一夹角或其余角；所述第一夹角为锐角；

各所述第二磁堆叠的灵敏轴由所述第一磁通聚集器的中心向所述第一磁堆叠的方向延伸，其与所述X轴磁场的磁场方向呈所述第一夹角或其余角。

3.根据权利要求2所述的磁阻元件，其特征在于，

各所述第一磁堆叠中所述磁堆叠一、所述磁堆叠二、所述磁堆叠三、所述磁堆叠四呈顺时针排列；其中，所述磁堆叠一与所述磁堆叠二的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠三与所述磁堆叠四的灵敏轴对称轴均平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠三与所述磁堆叠二的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠一与所述磁堆叠四的灵敏轴对称轴均平行于所述X轴磁场的磁场方向；

各所述第二磁堆叠中所述磁堆叠五、所述磁堆叠六、所述磁堆叠七、所述磁堆叠八呈顺时针排列；其中，所述磁堆叠五与所述磁堆叠六的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠七与所述磁堆叠八的灵敏轴对称轴均平行于所述Y轴磁场的磁场方向；所述磁堆叠六与所述磁堆叠七的灵敏轴对称轴及所述磁堆叠五与所述磁堆叠八的灵敏轴对称轴均平行于所述X轴磁场的磁场方向；

所述磁堆叠一的灵敏轴方向与所述磁堆叠七的灵敏轴方向平行，其与所述X轴磁场的磁场方向的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的磁阻元件，其特征在于，所述磁阻元件还包括多个开关单元；

各所述开关单元位于所述基板上方，与各所述第一磁堆叠及各所述第二磁堆叠电耦接，构成不同的惠斯通电桥，使得所述磁阻元件在构成第一惠斯通电桥时对X轴磁场灵敏，在构成第二惠斯通电桥时对Y轴磁场灵敏，以及在构成第三惠斯通电桥时对Z轴磁场灵敏；

所述惠斯通电桥包括相互耦接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂及第四桥臂；

在构成所述第一惠斯通电桥时，所述磁堆叠二与所述磁堆叠三串联耦接成所述第一桥臂，所述磁堆叠一与所述磁堆叠四串联耦接成所述第二桥臂，所述磁堆叠五与所述磁堆叠八串联耦接成所述第三桥臂，所述磁堆叠六与所述磁堆叠七串联耦接成所述第四桥臂；

在构成所述第二惠斯通电桥时，所述磁堆叠一与所述磁堆叠二串联耦接成所述第一桥臂，所述磁堆叠四与所述磁堆叠三串联耦接成所述第二桥臂，所述磁堆叠八与所述磁堆叠七串联耦接成所述第三桥臂，所述磁堆叠五与所述磁堆叠六串联耦接成所述第四桥臂；

在构成所述第三惠斯通电桥时，各所述第一磁堆叠中所述磁堆叠一与所述磁堆叠二或所述磁堆叠三或所述磁堆叠四串联耦接成所述第一桥臂，其余的所述第一磁堆叠串联耦接成所述第三桥臂；各所述第二磁堆叠中所述磁堆叠五与所述磁堆叠六或所述磁堆叠七或所述磁堆叠八串联耦接成所述第二桥臂，其余的所述第二磁堆叠串联耦接成所述第四桥臂。

5.根据权利要求4所述的磁阻元件，其特征在于，

所述开关单元为MOS开关。

6.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一磁堆叠及所述第二磁堆叠为AMR、TMR或GMR中的一种；所述第一磁通聚集器及所述第二磁通聚集器的材质为软磁材料。

7.一种磁阻元件的制造方法，其特征在于，所述磁阻元件为权利要求1-6中任一项所述的磁阻元件；

所述制造方法包括：

在基板上形成多层膜，经流片得到多个磁堆叠；

在基板上形成对称封闭区域的第二磁通聚集器及第三磁通聚集器，其中，各所述磁堆叠中第二磁堆叠邻近所述第二磁通聚集器的外侧位置，各所述磁堆叠中第一磁堆叠邻近所述第三磁通聚集器的内侧位置；

进行高温磁场退火，使得各所述第一磁堆叠的灵敏轴朝向所述第三磁通聚集器的内侧，各所述第二磁堆叠的灵敏轴朝向所述第二磁通聚集器的外侧；

移除所述第三磁通聚集器，并在各所述第一磁堆叠的内侧形成与所述第三磁通聚集器同心的第一磁通聚集器，得所述磁阻元件。

8.一种磁阻传感器，其特征在于，包括磁阻元件，所述磁阻元件为权利要求1-6中任一项所述的磁阻元件，或，采用权利要求7所述的制造方法所制得的磁阻元件。