用于感测面外磁场的方法和装置与流程

本公开涉及磁阻传感器，更特别地，涉及用于检测垂直于层堆叠的平面（例如面外）取向的磁场的传感器

背景技术：

1、磁阻传感器，尤其是那些基于隧穿磁阻（tmr）效应的传感器，可以被用于测量外部磁场。为了实现到面外磁场的线性响应，具有面内易磁化轴的铁磁感测层可以被采用。然而，这种层中的磁化方向直接受到面外和面内磁场分量的矢量和的影响，导致显著的交叉场敏感性。这种敏感性可能对测量准确性产生不利影响，特别是在存在强面内干扰的情况下必须检测微弱目标信号时。

2、为了减少这种敏感性，已经探索涡旋磁化状态。涡旋配置通过偏转涡旋核心而非改变敏感的面外磁化分量，可以提供一定程度的对面内场的固有抗扰性。然而，在更强的面内场之下，这种状态可能变得不稳定，最终坍缩成均匀磁化状态，从而重新引入交叉场敏感性。因此，常规的方法和基于涡旋的方法两者在场鲁棒性和操作稳定性方面都可能呈现局限性。

3、因此，可能需要改进用于面外磁场检测的磁阻传感器结构，特别是通过减少对干扰性面内磁场的敏感性。目标可能是在维持与紧凑集成和已建立薄膜处理技术兼容性的同时，增强传感器响应在实际环境中的鲁棒性和准确性。

技术实现思路

1、该需求通过独立权利要求来解决。进一步的实施例通过从属权利要求来解决。

2、根据第一方面，本公开涉及用于感测面外磁场的磁阻传感器。该传感器包括层堆叠，该层堆叠包括表现出面外磁化的参考系统。与该参考系统相邻，该传感器包括合成反铁磁（saf）自由层。该saf自由层包括具有易面各向异性的第一铁磁层、同样具有易面各向异性的第二铁磁层，以及位于第一铁磁层与第二铁磁层之间的非磁性耦合层。易面各向异性可能源于由于偶极相互作用引起的形状各向异性。这种各向异性可以通过附加的晶体面外或易面各向异性来调谐。该非磁性耦合层被配置为经由ruderman–kittel–kasuya–yosida（rkky）相互作用将两个铁磁层反铁磁地耦合起来。

3、这限定根据本公开的磁阻传感器的基本体系架构。它指定该传感器旨在测量垂直于传感器层的平面（面外）取向的磁场。感测元件由多层结构形成。参考系统维持固定的面外磁化，用作由于检测感测层磁化中的改变的基准。与该参考相邻，传感器包括saf自由层，该层包括两个具有层的平面内优选磁化方向（易面各向异性）的铁磁层。这两个铁磁层被薄的非磁性耦合层分离，该耦合层被涉及以经由rkky机制在它们之间诱导反铁磁相互作用。由于这种耦合，两个磁性层倾向于在平面内以相反方向对齐其磁化。

4、这种传感器设计可以为测量垂直于传感器平面的磁场提供稳定且低噪声的平台。通过使用saf作为自由层，该结构可能固有地对面内磁场较不敏感，因为磁性层的反平行对齐倾向于抵消面内磁干扰。rkky耦合可以确保强且可预测的反铁磁对齐，从而改进感测层的热稳定性和磁刚度。此外，易面各向异性可以在无施加磁场时促进稳定的面内磁化，这可能使面外响应更可预测性，并且使得能够实现接近线性的信号特性。总体而言，该结构可以在外部磁噪声（尤其是来自面内方向的噪声）可能降低性能的环境中支持高精度和可靠性。

5、在一些实施例中，第一铁磁层和第二铁磁层的磁各向异性和磁矩被配置为使得saf自由层的净磁化对于任何纯面外的外部磁场保持面内。当施加外部面外磁场hz时，两个反铁磁耦合的磁化可以相干地远离平面，产生净面外分量，该分量随hz近似线性提高，直至特征场hsat。高于该水平，saf可能接近饱和状态，其中两个磁矩均平行于hz。因为由hz产生的面内扭矩被强反平行耦合来平衡，自由层可能对寄生面外场保持不敏感，同时对所期望的面外分量提供可预测的、接近线性的响应。

6、在一些实施例中，非磁性耦合层由钌、铱、钽、钨或这些材料的组合构成。这可以限定位于saf自由层的两个铁磁层之间的非磁性耦合层的材料组成。该层的目的是介导相邻铁磁层之间的反铁磁相互作用。指定的材料——钌、铱、钽和钨——已知支持rkky型耦合，这使得能够在纳米或亚纳米间隔厚度下实现这种反铁磁对齐。选择这些特定元素可能是基于它们在磁性多层系统中建立稳定且可控的耦合行为的有效性。使用这些材料用于非磁性耦合层可以允许精确控制层间交换相互作用的强度和性质，这对于维持saf结构内的反铁磁对齐至关重要。特别是，钌和铱可以被用于高性能磁性隧道结中，由于它们能够在超薄分离之上诱导强且稳定的反平行对齐。这种稳定性可以增强感测层在变化的热和磁条件下的磁可靠性。附加地，选择或组合不同的耦合材料的灵活性，可以使得能够实现跨不同制造平台的工艺集成，并且便于材料调谐以匹配特定的传感器性能目标，诸如所期望的耦合强度、热耐受性或沉积兼容性。

7、在一些实施例中，合成反铁磁自由层的第一铁磁层包括钴铁硼（cofeb）和/或钴铁（cofe）合金。这指定saf自由层中第一铁磁层的材料组成。它指示该层由cofeb或cofe合金制成或至少包括cofeb或cofe合金。这些材料通常被用于磁阻设备中，特别是磁性隧道结中，由于它们的软磁特性和高自旋极化率有利的组合。第一铁磁层与隧道势垒相邻，可以通过响应外部磁场并且通过隧道磁阻效应调制设备的电阻来作为传感器中的信号生成层。在第一铁磁层中使用cofeb或cofe合金可能提供若干益处。已知这些材料与mgo隧道势垒结合使用时具有高磁阻比，这可以导致tmr传感器中的改进信号振幅和灵敏度。它们还表现出低矫顽力和良好的软磁行为，允许对外部磁场进行动态和可逆的响应。附加地，特别是cofeb，在沉积时是非晶态的，并且在退火期间以促进优异界面质量和磁均匀性的方式结晶，这可能有助于增强设备的可重复性和可靠性。总体而言，选择这些合金可以使得能够实现稳健且高效的磁阻传感，特别是在苛刻的场环境或小型化设备格式中。

8、在一些实施例中，第一铁磁层包括选自铁（fe）、钴（co）、铂（pt）、钯（pd）或镍（ni）组成的组的至少一种附加元素，其中该至少一种附加元素被沉积在cofeb或cofe合金上，以便修改磁晶各向异性并且使得能够实现rkky耦合。这可以通过引入可选元素——即fe、co、pt、pd或ni——添加第一铁磁层的组成，除了基础cofeb或cofe合金之外，这些元素可以被用作覆盖层或掺杂剂。已知这些元素会影响关键磁特性，诸如磁晶各向异性，它管理材料中磁矩的优选方向。添加这些元素还可能通过调整界面特性或磁矩平衡来帮助实现或加强第一铁磁层与第二铁磁层之间的rkky介导的反铁磁耦合。这种调谐可能是用于实现saf配置中所期望的磁响应和耦合效率所必需的。通过将附加的磁性或贵金属元素结合到第一铁磁层中，信号层的各向异性和磁矩可以被精细调整以满足特定应用的性能目标。例如，已知铂和钯可以增强界面处的垂直磁各向异性，这对于要求精确面外响应的传感器可能是有益的。镍铁合金可以被用于减少强制场hc，并且从而提供软磁响应，改进在目标面外场之下相干旋转的容易度。此外，包括这些元素可以优化与非磁性间隔层在界面处的耦合条件，从而支持更强、更稳定的rkky相互作用。总而言之，这种材料灵活性可以改进传感器的线性度、灵敏度和交叉场鲁棒性，同时也允许增强薄膜沉积期间的工艺兼容性和可重复性。

9、在一些实施例中，磁阻传感器还包括隧道势垒，该隧道势垒被插入在合成反铁磁自由层与参考系统之间。这指定磁阻传感器可以包括位于saf自由层与参考系统之间的隧道势垒。隧道势垒是薄的非导电层——通常由诸如氧化镁的材料制成——允许电子在相邻磁性层之间进行量子力学隧穿。该隧穿电流敏感地取决于自由层和参考层中磁化的相对取向，从而产生隧道磁阻（tmr）效应，这是许多高性能磁传感器的核心感测原理。包括隧道势垒可以使得传感器基于tmr效应操作，与其他磁阻效应（诸如巨磁阻（gmr））相比，tmr可能提供更高的信号振幅和灵敏度。该势垒允许自旋相关的隧穿，当自由层和参考层的磁化在平行与反平行配置之间切换时，可以导致显著的电阻变化。这可能导致改进信噪比（snr）和磁场检测中的更高精度。此外，使用隧道势垒可以支持缩放到非常小的传感器几何尺寸，同时保持高输出水平，这对于集成到密集封装或小型化电子系统中可能是有利的。

10、在一些实施例中，隧道势垒具体地被插入在第一铁磁层与参考系统之间。隧道势垒可以被放置在合成反铁磁自由层的第一铁磁层（通常充当信号层）与参考系统之间。这意味着隧穿电流，以及因此产生的磁阻信号，直接受到参考系统与第一铁磁层（位于最靠近隧道势垒）之间相对磁化对齐的影响。将隧道势垒放置在第一铁磁层与参考系统之间，可以提供明确且可预测的隧穿界面，这对于实现高tmr性能至关重要。这种配置可以允许响应外部面外磁场的第一铁磁层的磁化直接调制隧穿电流。由此产生的信号可能是高敏感和方向选择性，因为它主要受信号层相对于固定参考的取向控制。附加地，将隧道势垒与经过更精心设计的信号层（通常针对特定各向异性和自旋极化特性进行优化）相邻放置，可以增强传感器响应在多种操作条件下的可重复性、对称性和线性度。这种结构还可以简化层堆叠体系架构，并且便于标准的tmr制造工艺。

11、在一些实施例中，磁阻传感器还包括导电间隔层，该导电间隔层被插入在合成反铁磁自由层与参考系统之间。这提供隧道势垒配置的替代方案。使用导电间隔层而非隧道势垒来分离合成反铁磁自由层与参考系统。在此配置中，传感器可以基于巨磁阻效应（gmr）而非隧道磁阻（tmr）效应操作。在基于gmr的设备中，电子传输通过导电间隔层经由扩散传导发生，并且设备的电阻取决于界面处及磁性层内的自旋相关的散射。使用导电间隔层代替隧道势垒可能在制造复杂性和工艺兼容性方面提供某些优势。gmr结构通常不要求像tmr势垒那样精确控制绝缘层厚度，这可以简化制造并且改进良率。附加地，导电间隔层可能提供更低的总体电阻和更好的热稳定性，这在高电流或高温应用中可能是有益的。此配置也可能对工艺变化更容忍性的，尤其是在绝对灵敏度不如鲁棒性或与其他电路元件集成度关键的应用中。此外，可选择使用隧道势垒或导电间隔层任一者可以提供设计灵活性，允许传感器体系架构根据不同的系统要求或约束进行定制。

12、在一些实施例中，第二铁磁层包括多层堆叠，该堆叠包括选自cofe、coni、nife、cob、cofeb或feb组成的组的一种或多种层，其中该多层堆叠被配置为平衡第一铁磁层的磁矩。这聚焦于saf自由层内第二铁磁层的结构和功能。它指定该第二层可以由多个子层组成——形成多层堆叠——可以包括诸如钴铁（cofe）、钴镍（coni）、镍铁（nife）、钴硼（cob）、钴铁硼（cofeb）或铁硼（feb）的材料。在一些实施例中，这些多层结构也可以被用于第一铁磁层。这种多层配置的目的是在磁性上平衡第一铁磁层，该第一铁磁层紧邻隧道势垒或导电间隔并且用作信号层。这种平衡效应涉及磁矩和各向异性特性两者，确保整个saf结构在外部场之下按预期行为。在第二铁磁层中使用多层堆叠可以使得能够实现对saf自由层的总磁矩、各向异性及动态行为的精细控制。通过精心选择和堆叠具有已知磁特性的材料，可以定制第二层以有效地抵消或补偿第一层，从而实现优化的反铁磁配置。这种平衡可以有助于调谐线性范围、稳定面内反平行对齐、增强面外响应中的线性度并且抑制不期望的交叉场敏感性。此外，某些材料诸如nife和cofeb以其软磁特性和易于集成而已知，而其他如coni则提供更高的磁刚度或各向异性调谐。多层结构还可以提供更好的厚度控制、热稳定性以及与现代mr传感器制造中使用的沉积工艺的兼容性，可能改进良率、可重复性和长期性能。

13、在一些实施例中，合成反铁磁自由层的总厚度小于10纳米、小于8纳米、甚至小于6纳米。这对saf自由层的总物理厚度施加限制，该自由层包括两个铁磁层及其间的非磁性耦合层。具体地，整个saf结构的厚度可能被限制小于10纳米。此尺寸要求涵盖所有组成层，并且指示高度小型化的磁传感器体系架构。将saf自由层厚度限制到10纳米之下可能提供若干重要益处。首先，生产时间（例如通过溅射）可能被减少，从而可能减少成本。此外，它可能使得能够实现超紧凑传感器结构的制造，适用于高密度集成，诸如在片上系统应用或紧密封装的传感器阵列中。其次，减少总磁体积可以降低相干旋转所需的能量，使得能够实现更快、更节能的切换。第三，更薄的saf结构可能表现出对耦合强度更好的控制，特别是通过rkky相互作用，该作用在亚纳米到几纳米距离内最有效。此外，紧凑的磁性堆叠可以通过减少来自更厚、更复杂结构的噪声贡献和寄生磁效应，改进基于tmr设备的信号保真度。最后，维持如此薄的轮廓可能支持工艺可扩展性以及与半导体制造中标准后端工艺（beol）集成的兼容性。

14、在一些实施例中，合成反铁磁自由层的第一铁磁层的厚度介于1纳米与2纳米之间。这为第一铁磁层限定特定的厚度范围，该层在saf自由层堆叠中可能作为信号层。其制造厚度可能至少为1纳米但不超过2纳米。这个狭窄的范围对于磁性能以及与相邻层（尤其是tmr配置中的隧道势垒）的兼容性两者都可能是有用的。通过将第一铁磁层的厚度限制到1纳米至2纳米的范围内，传感器设计可以在磁信号强度、切换行为和耦合有效性之间实现良好平衡的权衡。厚度小于1纳米的层可能遭受不连续性、结晶度下降或磁矩受抑制的问题，这可能损害设备的可靠性和灵敏度。相反，厚度大于2纳米的层可能引入过度的磁刚度或不期望的杂散场，减少rkky耦合的效率，或扰乱与saf堆叠中第二铁磁层的平衡。保持在此范围内也可能增强隧道电子（在tmr结构中）的自旋极化，从而最大化磁阻比。此外，如此薄的层与现代沉积技术（诸如溅射或原子层沉积（ald））兼容，并且可能支持实现用于苛刻应用的低功耗、高速磁传感器。

15、在一些实施例中，saf自由层被图案化成圆形或圆柱形几何形状。这意味着该层被形成为圆形或圆柱形几何形状，即该层的横向横截面（从上方看）是圆形的，并且竖直剖面是均匀的，形成类似圆柱体的形状。这种几何配置可以适用于设备制造期间的平面和三维图案化工艺两者。将saf自由层图案化成圆形或圆柱形形状可能有助于抑制或消除不想要的形状各向异性效应。形状各向异性由于磁性材料的几何分布而产生，并且可能产生磁化的方向偏好，这可能干扰受控切换行为或在传感器响应中引入非线性。圆形几何形状提供旋转对称性，意味着针对磁化没有优选的面内方向，这可能允许saf维持更均匀的磁状态。这对于必须区分面外方向上的磁场而不受横向几何形状引起的失真或偏置的传感器可能特别有益。附加地，圆柱形结构非常适合用于模拟、建模和工艺控制，并且可能有助于优化边缘稳定性并且减少边界处涡旋成核或畴壁形成的风险。总体而言，这种形状可能有助于实现更可预测、更稳定和更线性的传感器性能。

16、在一些实施例中，圆形或圆柱形saf自由层的直径小于一微米。这在saf自由层上引入尺寸约束，特别是关于其横向尺寸。它要求圆形或圆柱形saf结构的直径小于一微米（1µm）。此约束可能适用于整个传感器布局，并且可能与感测元件在紧凑设备体系架构中的缩放和集成特别相关。

17、在一些实施例中，参考系统包括表现出垂直磁各向异性的堆叠。该堆叠可以包括选自钴/铂（co/pt）、镍/铂（ni/pt）、钴/镍（co/ni）、钆钴（gdco）、钴铬铂（cocrpt）、铁铂（fept）或基于稀土元素的合金组成的组的一个或多个层。这限定磁阻传感器中使用的参考系统的结构和材料组成。参考系统用作磁性固定层，自由层的磁化中的改变与之比较以生成传感器信号。参考系统可以被设计为表现出垂直磁各向异性（pma）的多层堆叠，意味着磁化自然地对齐在膜平面之外。在参考系统中采用具有pma的堆叠可提供稳定且明确定义的面外磁化轴，这是精确面外磁场感测所需要的。pma结构在面内磁场之下不易发生重新定向，这可能增强信号稳定性和方向选择性。所列材料体系结合高磁各向异性、具有优异的热稳定性和对外部场干扰的抵抗能力。这些材料还可能支持高自旋极化和良好的界面质量，这可以有助于最大化磁阻信号，特别是在基于tmr的设计中。包括基于稀土元素的合金可能提供扩展的温度范围性能和定制的磁特性。总体而言，这种pma参考堆叠可以增强传感器的鲁棒性、线性度和灵敏度，同时确保在不同操作条件之下性能一致。

18、在一些实施例中，参考层通过将其交换耦合到反铁磁钉扎层而被磁性钉扎。钉扎层可以包括选自铱锰（irmn）、铂锰（ptmn）、铁锰（femn）、镍锰（nimn）、镍氧化物（nio）、铬氧化物（cr2o3）或其组合组成的组的一种或多种反铁磁材料。反铁磁钉扎层可以被布置成与参考层相邻——可选地由薄打底层或种子层分离——以建立交换偏置场，从而将参考层的磁化方向沿垂直各向异性轴固定。将参考层耦合到这种钉扎层可以改进热鲁棒性，抑制外部面内或斜向场之下的自发反转，并且可以确保为用于saf自由层的明确定义的比较轴。交换偏置稳定化还可以增强传感器线性度并且最小化偏移漂移，从而支持在扩展的温度和场范围之上的可靠的面外磁场检测。

19、在一些实施例中，磁阻传感器的层堆叠包括恰好一个参考系统。这限制传感器配置，使其在磁性层堆叠内包括单个参考系统。也就是说，堆叠中只有一个磁性元件被固定其磁化方向上，并且用作用于检测相邻saf自由层的磁化中的改变的参考。同一层堆叠内不存在附加的参考系统。仅利用一个参考系统可以减少结构和制造复杂性，同时仍能使得能够实现准确且可靠的场感测。此配置在空间、能耗或成本限制显著的应用中可能尤其有益。通过消除对于第二参考层的需求，传感器体系架构可以被简化，可能产生更薄的堆叠和改进的可制造性。此外，单个参考设计可以减少内部磁相互作用，否则可能引入信号模糊或不想要的耦合效应。这可能使得自由层对外部面外场的响应更加稳定和孤立。附加地，没有多个竞争参考轴可能有助于维持传感器输出的所期望的方向性和线性度，这对于一维或单轴磁场检测尤其重要。

20、在一些实施例中，磁阻传感器还包括信号处理电路，该电路被配置为测量由隧道势垒处的铁磁层旋转引起的磁阻变化，并且输出指示面外磁场强度的信号。这通过合并信号处理电路，为传感器引入功能扩展。该电路被配置为检测磁阻中的改变，源于铁磁信号层（即saf自由层的第一铁磁层）中的磁化矢量在响应外部面外磁场时的旋转。这些磁化改变进而改变自由层与参考层之间的相对对齐，并且调制跨隧道势垒的电阻。该电路解读这些电阻改变，并且将其转换为反映外部面外磁场的幅度的输出信号。将信号处理电路集成到传感器设计中可以增强其可用性和功能性。这种集成可以允许将原始电阻改变实时转换为校准后的输出信号，从而使得能够直接与微控制器、数据采集系统或数字逻辑进行接口。通过测量隧道势垒处的磁阻变化——信号层在此处与参考系统相互作用最敏感——该电路可以产生高精度和高分辨率的磁场读数。根据应用，该电路还可以实现线性化、滤波、温度补偿或偏移校正。这种内部信号调理可以简化外部电路装置，减少系统总成本，并且改进信号完整性，尤其是在电磁噪声环境中。此外，使输出直接与面外磁场强度相关联，可以支持在工业、汽车或消费类应用中进行精确且定向的磁场感测。

21、在一些实施例中，磁阻传感器还包括至少一个软磁屏蔽，该屏蔽被布置成与层堆叠相邻，并且被配置为减少沿屏蔽轴的外部磁场对自由层的影响。这以软磁屏蔽元件的形式为传感器体系架构增加被动场整形部件。该屏蔽被放置在靠近磁性层堆叠——特别是saf自由层附近——并且被取向使得其影响沿特定方向（此处称为屏蔽轴）对齐的磁场。该屏蔽的功能是在外部磁场到达并且干扰自由层的磁化状态之前，减少或抑制沿该轴的外部磁场的影响。合并与感测堆叠相邻的软磁屏蔽可以通过减轻寄生磁场（特别是可能扭曲预期面外测量的面内交叉场）的影响，显著增强传感器的鲁棒性。诸如坡莫合金（nife）的软磁材料以其高磁导率而闻名，允许它们吸引和重新引导磁力线。通过在传感器附近策略性地放置这种屏蔽，干扰场分量可以被偏转远离敏感区域，从而保持自由层的磁完整性和稳定性。这可以改进测量精度、减少噪声，并且防止有源感测元件中的饱和或磁滞效应。此外，这种方法可以用作被动、无需能量的机制来增加传感器的信噪比并且扩展其线性操作范围，特别是在具有强或波动磁干扰的环境中。该概念也支持模块化设计策略，其中屏蔽性能可以通过选择材料、几何形状和放置来调谐，而无需改变核心传感器体系架构。

22、在一些实施例中，该屏蔽被设计为响应外部磁场而生成反向磁场。这表征软磁屏蔽的功能行为。它指定，该屏蔽不仅仅是一个被动的物理屏障，而是被设计为通过生成自身与入射场的方向相反的磁场来主动响应外部磁场。该反向磁场由于屏蔽材料的高磁导率及其与外部磁通的相互作用而在屏蔽材料内被感生。其效果是抵消并且部分取消原本会作用于磁阻传感器的自由层（以及参考层）的磁场分量。将屏蔽设计为生成反向磁场，可以为减轻不想要的磁干扰影响提供动态且自我调节的机制。与刚性或静态屏蔽方法不同，这利用屏蔽材料固有的磁响应来自适应地衰减外部场。该反向磁场可以有效地中和或显著减少到达传感器的敏感区域的净磁通，特别是沿屏蔽轴方向。这可以有助于保持合成反铁磁自由层的磁化状态，并且减少由面内或倾斜场分量导致的信号失真。实际上，这种屏蔽可以使得传感器在电磁噪声更强的环境中可靠操作，扩展设备的操作范围，并且在存在强或波动场的条件之下维持线性度和准确度。它还可以减少基于软件的补偿或复杂信号后处理的需求，从而简化整体系统设计。

23、在一些实施例中，该屏蔽被横向布置成与层堆叠相邻。这指定屏蔽相对于传感器磁性层堆叠的空间布置。它陈述屏蔽可以在横向方向上被放置在堆叠旁边，这意味着它可以沿与薄膜层相同的平面被放置，或位于其上方或下方。因此，根据传感器布局，屏蔽可以沿x轴或y轴位于合成反铁磁自由层和参考系统旁边。将屏蔽横向放置与传感器的有源层堆叠相邻可以提供目的抑制平行于传感器的平面传播的磁场分量——通常称为面内交叉场。这些面内场在设计用于检测面外磁场分量的磁阻传感器中可能是特别具有破坏性的，因为它们可能会无意中改变自由层的磁化，并且降低测量精度。横向屏蔽布置可以用于在寄生场到达敏感区域之前拦截并且重新引导它们，从而维持稳定且线性的传感器响应。此外，横向屏蔽可以被实现而不会显著增加传感器的竖直高度，这对于集成到平面芯片设计和空间受限的应用中可能是有利的。这种配置还可以简化屏蔽的机械和工艺集成，允许使用标准光刻或溅射技术与传感器的其余结构一起进行图案化和沉积。

24、在一些实施例中，该屏蔽被布置在层堆叠的上方或下方。这描述传感器中磁屏蔽的替代的或附加的空间布置。具体地，它陈述屏蔽可以相对于传感器的磁性层堆叠被竖直放置——要么位于堆叠顶部，要么位于堆叠下面，沿着垂直于层平面的方向。将屏蔽放置在磁性层堆叠的上方或下方，可以提供针对垂直于传感器平面取向或表现出复杂三维场分量的磁场的增强保护。这种竖直屏蔽在磁干扰源位于面外方向（诸如邻近设备、电力电子设备或旋转机械）的环境中可能特别有效。屏蔽的顶部或底部放置也可以与横向屏蔽协同操作，以在感测区域周围形成封闭或部分封闭，因此创建更全面的屏蔽轮廓。附加地，这种竖直配置可以通过改变屏蔽与传感器之间的竖直距离或通过堆叠多个屏蔽层，在调谐有效屏蔽范围中允许更大的自由度。从制造角度来看，顶部屏蔽可以在传感器工艺之后沉积，而不影响底层质量，而底部屏蔽可以作为衬底或缓冲层设计的部分在工艺早期被集成。这种灵活性可以支持各种传感器封装和系统集成方案，同时维持信号稳定性和测量准确度。

25、在一些实施例中，屏蔽在垂直于屏蔽轴方向的延伸大于其在平行于屏蔽轴方向的延伸。屏蔽可能具有不对称的形状，其中其垂直于屏蔽轴测量的物理尺寸大于平行于该轴测量的尺寸。屏蔽轴是指沿要抑制的外部磁场的方向。因此，几何形状可能被有意设计使得屏蔽在与其要衰减的场正交的方向上呈现更宽的表面积。将屏蔽设计为在垂直于屏蔽轴的方向的具有更大的延伸，可以改进其重新引导或中和原本会到达传感器的敏感区域的外部磁场的能力。这种几何形状可以增强退磁效应，允许屏蔽材料更有效地集中和重新引导磁力线远离合成反铁磁自由层。因此，沿屏蔽轴的干扰场的影响可以大幅被减少。此外，这种配置可以跨更大的区产生更强的反向磁场，改进场抵消的均匀性，并且扩展传感器周围的保护区域。从设计角度来看，这种各向异性的几何形状可以被定制以匹配特定应用中的预期场分布，提供定向屏蔽而无需不必要地增加材料体积或传感器占用面积。最终，这可以导致改进的信号完整性、更低的交叉场敏感度和更高的测量准确度，特别是在具有强定向磁噪声的应用中。

26、在一些实施例中，该屏蔽是长方体形状。长方体是三维矩形实体，具有平面和直角，通常由三个正交的线性尺寸（长、宽、高）限定。在传感器设计的背景下，这意味着屏蔽元件可以被成形为块状或砖块状，具有沿主轴（可能与层堆叠和传感器衬底的取向相对应）对齐的平直表面。长方体屏蔽形状在磁阻传感器设计中可能提供实用和功能上的益处。从几何角度看，长方体易于使用标准薄膜沉积和光刻图案化技术制造，这可以增强制造精度和可重复性。直边缘和限定的表面允许可预测且均匀的磁行为，特别是在沿所期望的路径引导和重新引导磁通中。这种规则的形状也支持直接集成到芯片级封装中，使得屏蔽能够整齐地固定在传感器部件旁边或上方。从功能角度来看，长方体的平面可以很好地与受控配置中的磁力线对齐，从而优化磁重定向或抵消的有效性。此外，长方体几何形状可以轻松缩放或堆叠以调谐屏蔽强度或范围，使其能够适应不同级别的场干扰。总而言之，长方体屏蔽可以提供简单性、有效性和工艺兼容性的平衡，支持稳定且紧凑的传感器架构。

27、在一些实施例中，该屏蔽包括以直角相交的第一软磁条和第二软磁条。这描述屏蔽系统的复合配置，其中至少包括两个独立的软磁条。这些条被布置成彼此正交相交——即以90度角。这种结构布置形成十字形或网格状配置，跨两个垂直方向扩展屏蔽能力。条本身可以由软磁材料（诸如nife或cofe合金）构成，这些材料以其高磁导率和低矫顽力而闻名。由两个相交的软磁条组成的屏蔽结构可以允许有效地抑制两个正交方向（通常与传感器的两个面内轴（x和y）相对应）上的磁场。因此，这种十字形配置可以增强传感器对多方向面内磁干扰的免疫力，这在涉及旋转机械、载流导体或可变磁环境的应用中可能是测量误差的来源。通过提供双向屏蔽，该结构可以比单条配置更有效地维持合成反铁磁自由层的磁化稳定性。附加地，直角布置可以创建重叠的磁场重定向区域，还改进跨传感器的有源区的屏蔽效果的均匀性和强度。该设计也是模块化和可扩展的——可以添加附加的正交条或分层网格，以根据特定用例定制屏蔽性能。总体而言，这种方法可以在具有复杂且波动的磁场矢量的实际条件之下导致更稳健的传感器操作。

28、在一些实施例中，屏蔽包括多个平行布置的软磁条，其中软磁条中的每个具有纵向轴，该纵向轴要么垂直于屏蔽轴延伸，要么平行于屏蔽轴延伸。这描述更复杂且适应性更强的屏蔽布置，其中包括多个软磁条，而非仅一个或两个。这些软磁条彼此平行对齐，并且它们各自的长轴（纵向轴）要么平行于要么垂直于限定的屏蔽轴被取向——即屏蔽旨在减轻外部磁场效应所沿的轴线。软磁条的取向可以根据传感器预期应用环境中干扰场的主导方向来选择。平行布置多个软磁条可以通过扩展结构的空间覆盖范围和磁通处理能力来显著增强屏蔽效能。当软磁条的纵向轴与屏蔽轴对齐或正交时，可以调谐配置以更有效地重定向或阻挡外部磁场的特定分量。例如，垂直于屏蔽轴对齐的软磁条可以最大化磁通偏转，而平行于其对齐的软磁条则有助于引导磁力线并且产生分布式的反向场。这种结构灵活性可以允许针对特定的操作条件（诸如对一个方向上的主导场噪声进行保护，或在传感器阵列中创建均匀的保护）对屏蔽进行目的性的优化。此外，使用多个软磁条而非单个整体式屏蔽可以减少涡流形成和热负荷，这可能在高频或高温环境中是有益的。从制造角度来看，平行条阵列可以使用图案化沉积和蚀刻技术来实现，支持高通量、可扩展的制造。总体而言，这种方法可以导致更好地控制交叉场干扰，并且增加传感器在复杂磁负载之下的鲁棒性。

29、在一些实施例中，提供用于磁场感测的系统，其中该系统包括根据前述实施例中任一项所述的磁阻传感器以及控制单元，该控制单元被配置为处理来自磁阻传感器的输出信号，以确定外部面外磁场的振幅，同时补偿面内交叉场效应。这将范围从独立的传感器设备扩展到集成的感测系统。该系统包括如前所述实施例中的磁阻传感器，并且附加地包括控制单元。控制单元负责处理由传感器生成的输出信号并且执行两个关键功能：（1）确定面外取向的磁场分量的振幅，以及（2）补偿可能扭曲或干扰所期望的面外场测量的面内磁场分量的影响。将磁阻传感器与控制单元集成可以增强整个感测系统的功能性、准确性和适应性。控制单元可以实现算法或校准例程，其允许系统能够将面外磁信号与不想要的面内干扰（通常称为交叉场干扰）隔离。这在现实环境中可能很重要，其中磁场可能在多个方向上不可预测地变化。通过结合补偿技术，诸如数学校正、实时反馈或差分信号处理，系统可以改进测量保真度和鲁棒性。附加地，控制单元可以处理信号调理、滤波、线性化以及与外部设备的通信，从而使得能够实现与更大电子平台（诸如汽车控制单元、工业控制器或消费电子产品）的无缝集成。此系统级权利要求也拓宽适用范围和保护范围，认识到本发明不仅可以作为部件，还可以作为完整、智能的磁感测解决方案的一部分发挥作用。

30、根据另一方面，提供用于感测面外磁场的方法。该方法包括以下步骤：提供层堆叠，包括恰好一个参考系统，以及与该参考系统相邻的合成反铁磁（saf）自由层。该saf自由层包括第一铁磁信号层和第二铁磁平衡层。这两层经由非磁性耦合层被反铁磁地耦合，并且每层都具有易面各向异性。该方法还包括向saf自由层施加外部面外磁场，并且检测磁阻信号中的改变，该改变与saf自由层面外磁化中的改变相对应。这限定描述传感器在实践中如何操作以检测磁场的方法。该方法始于通过提供特定的物理配置：由单个参考系统和saf自由层组成的磁性隧道结，该saf自由层由经由rkky机制耦合的两个具有易面各向异性的铁磁层制成。一旦该结构就位，传感器被暴露于层堆叠的面外取向的外部磁场中。该场导致saf自由层内发磁化的受控旋转或重新取向。关键的感测机制是通过传感器电阻的改变——具体地，隧道磁阻（tmr）或巨磁阻（gmr）的改变，根据实施方案——来检测这种磁重取向。然后电阻中的变化被使用来确定面外磁场的强度。该方法可以使得能够实现对垂直于传感器结构的表面的磁场的精确且鲁棒的检测。通过使用具有反铁磁耦合和面内各向异性的saf自由层，该方法可以最小化面内交叉场的影响，这些交叉场通常会干扰面外测量。所得到的磁阻信号主要由外部磁场的面外分量管理，导致更清晰、更线性的响应。此外，使用单个参考系统和紧密耦合的saf结构可以简化层堆叠并且减少复杂性，同时保持方向灵敏度和高信号完整性。该方法可以在各种传感器平台（诸如分立设备或集成系统）中被实现，并且可以用于要求在存在磁噪声或机械约束的环境中可靠、高分辨率磁场测量的应用。

31、根据又一方面，提供用于面内磁场感测的磁阻传感器。该传感器包括层堆叠，包括具有面内磁化的参考系统，以及被设置成与该参考系统相邻的saf自由层。该saf自由层包括具有面外磁各向异性的第一铁磁层、同样具有面外磁各向异性的第二铁磁层，以及被插入在第一铁磁层与第二铁磁层之间的非磁性耦合层。该非磁性耦合层被配置为经由rkky相互作用将第一铁磁层和第二铁磁层反铁磁地耦合。

32、这引入与第一方面镜像的体系架构。该传感器并非被优化以检测垂直于层平面的磁场（面外场），而是被设计以感测面内磁场。在此配置中，参考系统具有固定的磁化方向，该方向位于传感器平面内。相比之下，其磁态响应于目标场而改变的saf自由层——包括具有面外磁各向异性的铁磁层，这意味着在无外部刺激的情况下，它们优选的磁化方向垂直于平面。这两个铁磁层由非磁性间隔层分离，该间隔层使得能够实现反铁磁rkky耦合，在零场条件下维持其磁化的反平行对齐。这种配置允许saf自由层在接近零的净磁状态中开始，但当施加外部面内场时，以受控、线性的方式响应——导致磁化倾斜，从而产生电阻调制，这是用于感测的基础。

33、这种传感器体系架构可以提供鲁棒且高度线性的面内磁场感测，同时维持对不想要的面外干扰的低灵敏度。saf自由层中的面外磁各向异性可以稳定saf的初始反平行配置，在无信号场发情况下保持净磁化接近零。这可以减少磁噪声、热漂移和残余偏置。在施加面内场时，saf层的磁化可能会有条理地倾斜远离其平衡取向，从而产生可测量的磁阻中的改变。使用rkky耦合的面外层用于面内场感测也可能增加传感器的稳定性和操作范围，因为saf结构可以承受更强的寄生场分量而不会过渡到饱和或非线性状态中。

34、因此，本公开提供用于磁场感测的磁阻传感器。传感器包括层堆叠，包括具有固定磁化的参考系统和被设置成与该参考系统相邻的saf自由层。该saf自由层包括第一铁磁层和第二铁磁层，每层具有与参考系统的磁化方向正交取向的磁各向异性方向，以及被插入在第一铁磁层与第二铁磁层之间的非磁性耦合层。该耦合层被配置为经由ruderman–kittel–kasuya–yosida（rkky）相互作用将铁磁层反铁磁地耦合。根据配置，该传感器对要么面外要么面内的磁场分量敏感，同时表现出较低的交叉场灵敏度。saf结构使得能够实现在零场之下具有接近零净磁化的低噪声操作，支持高线性度和方向鲁棒性。