傳感器3和Y軸傳 感器4的結(jié)構(gòu)相同，只是排布方向不同，二者相互垂直。在圖1中，X軸傳感器3中的元件 縱向排布，而Y軸傳感器4中的元件橫向排布，但X軸傳感器3中的元件也可以橫向排布， 此時(shí)Y軸傳感器4中元件縱向排布即可。X軸傳感器3包括感應(yīng)元件串11、參考元件串12 以及X-磁通量控制器8,Y軸傳感器4包括感應(yīng)元件串13、參考元件串14以及Y-磁通量 控制器9,其中參考元件串12, 14分別位于X-磁通量控制器8、Y-磁通量控制器9的下方， 感應(yīng)元件串11，13分別位于相鄰兩個(gè)X-磁通量控制器8之間的間隙處和相鄰兩個(gè)Υ-磁通 量控制器的間隙處，感應(yīng)元件串11，13和參考元件串12, 14均由一個(gè)或多個(gè)相同的磁電阻 傳感元件電連接構(gòu)成。Ζ軸傳感器包括Ζ-磁通量控制器10、磁電阻傳感元件15, 16,其中磁 電阻傳感元件15, 16分別電連接成列，排布于Ζ-磁通量控制器10下方的兩側(cè)。此外，構(gòu)成 參考元件串12, 14的磁電阻傳感元件也可以分別位于X-磁通量控制器8和Υ-磁通量控制 器9的上方，此時(shí)，Ζ軸傳感器中的磁電阻傳感元件15, 16位于Ζ-磁通量控制器10上方的 兩側(cè)。
[0036] 所有磁電阻傳感元件為GMR自旋閥或者TMR傳感元件，其形狀可以為方形、菱形或 者橢圓形，但并不限于以上形狀。X軸傳感器3和Ζ軸傳感器5中磁電阻傳感元件的釘扎層 的磁化方向6相同，均沿X軸方向，但X軸傳感器3和Υ軸傳感器4中磁電阻傳感元件的釘 扎層的磁化方向6和7相互垂直。在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、 雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結(jié)合來使磁性自由層的磁化方向與釘扎層的磁 化方向垂直。所有磁通量控制器均為矩形長條陣列，它們?cè)诖怪庇诖烹娮鑲鞲性斣鷮?磁化方向上的長度大于沿著磁電阻傳感元件釘扎層磁化方向的長度，并且其組成材料均為 軟鐵磁合金，該合金可包括Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Α1中的一種元素或幾種元素，但并 不限于以上元素。焊盤2里包括了X軸傳感器3、Y軸傳感器4和Z軸傳感器5中的輸入輸 出連接焊盤。基片1上可含有ASIC，或者與另外的獨(dú)立的ASIC芯片相電連接，圖中未示出 ASIC。在本實(shí)施例中，采用的是焊盤引線鍵合來進(jìn)行封裝，也可采用硅通孔、倒裝芯片、球柵 陣列封裝（BGA)、晶圓級(jí)封裝（WLP)以及板上芯片封裝（COB)等技術(shù)對(duì)該單芯片三軸線性磁 場(chǎng)傳感器進(jìn)行封裝。圖2為單芯片三軸線性磁場(chǎng)傳感器的數(shù)字信號(hào)處理電路原理圖。X軸 傳感器3、Y軸傳感器4和Z軸傳感器5感測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)通過數(shù)字信號(hào)處理電路50中的 ADC41進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)處理器42,處理后的信 號(hào)通過I/O輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量。該數(shù)字信號(hào)處理電路50可能位于基片1上， 也有可能位于另外一個(gè)ASIC芯片上，該ASIC芯片與基片1相互電連接。
[0037] 圖3為圖1中X軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該X軸傳感器為參考全橋結(jié)構(gòu)，包括參 考臂和感應(yīng)臂，其中參考臂上包括多個(gè)位于X-磁通量控制器下方的參考元件串12,感應(yīng)臂 上包括多個(gè)對(duì)于X-磁通量控制器間隙9處的感應(yīng)元件串11，感應(yīng)元件串11和參考元件串 相互交錯(cuò)排放，沿著X-磁通量控制器的長度方向排布，每個(gè)參考元件串12至少與一個(gè)感應(yīng) 元件串11相鄰，每個(gè)感應(yīng)元件串11也至少與一個(gè)參考元件串12相鄰。每個(gè)感應(yīng)元件串11 與相鄰的參考元件串12之間均相隔間距L，間距L很小，優(yōu)選地為20~100微米。感應(yīng)臂、 參考臂和焊盤17-20之間可以用電連接導(dǎo)體21連接。焊盤17-20分別作為輸入端Vbias、 接地端GND以及輸出端VI，V2,對(duì)應(yīng)于圖1中最左邊的四個(gè)焊盤。圖4為圖3中的感應(yīng)元件 串11和參考元件串12周圍的磁場(chǎng)分布。從圖中可以看出，位于X-磁通量控制器8間隙處 的感應(yīng)元件串11所感應(yīng)到的磁場(chǎng)幅度增強(qiáng)，而位于X-磁通量控制器8下方的參考元件串 12所感應(yīng)到的磁場(chǎng)幅度降低，由此可見，X-磁通量控制器8能起到衰減磁場(chǎng)的作用。
[0038] 圖5為圖3中的感應(yīng)元件串11與參考元件串12的所在位置與所感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的 關(guān)系曲線，其中，Bsns34為感應(yīng)元件串11所感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Bref35為參考元件串12所感 應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度Bext= 100G。從圖中可以得到：Bsns= 160G，Bref= 25G。 根據(jù)下面的公式（1)與（2)，便可得知相應(yīng)的增益系數(shù)Asns和衰減系數(shù)Aref的大小。
[0039]Bsns=Asns*Bext(1)
[0040]Bref=Aref*Bext(2)
[0041] 將Bext= 100G,Bsns= 160G,Bref= 25G代入上面兩式中，便可算出：
[0042] l〈Asns= 1. 6〈100,0〈Aref= 0· 25〈1。Asns/Aref的比值越大，貝意味著傳感器的 靈敏度越高，一般理想的是Asns/Aref>5,此時(shí)傳感器就有高靈敏度。本設(shè)計(jì)中Asns/Aref =1. 6/0. 25 = 6. 4>5,由此可見本申請(qǐng)中的X軸傳感器具有高靈敏度。
[0043] 圖6為圖3中X軸傳感器的輸出電壓和外加磁場(chǎng)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出， X軸傳感器只能感測(cè)到X軸方向的磁場(chǎng)分量，輸出電壓Vx36,對(duì)Y軸和Z軸方向的磁場(chǎng)分量 沒有響應(yīng)，電壓Vy37和Vz38均為零，并且Vx36關(guān)于原點(diǎn)0對(duì)稱。圖7為圖3中X軸傳感 器的電路示意圖。圖中，兩個(gè)感應(yīng)臂52, 52'和兩個(gè)參考臂53, 53'相間隔連接構(gòu)成一全橋， 該全橋的輸出電壓為
[0044]
[0045] 則此X軸傳感器的靈敏度可表示為
[0046]
[0047] 對(duì)于很小的外加磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度B很小，則上式（4)可近似化為
[0048]
[0049] Y軸傳感器4和X軸傳感器3的結(jié)構(gòu)相同，所以其工作原理、周圍的磁場(chǎng)分布、響應(yīng) 曲線均與X軸傳感器3相同，在此就不再贅敘。
[0050] 圖8為Z軸傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該Z軸傳感器為推挽全橋結(jié)構(gòu)，該Z軸傳感器包 括多個(gè)磁電阻傳感元件15和16,多個(gè)Z-磁通量控制器10,電連接導(dǎo)體27以及焊盤28-30， 焊盤28-30分別作為電源供應(yīng)端VBias，接地端GND，電壓輸出端V+，V-，對(duì)應(yīng)于圖1中的焊 盤2中最右邊的四個(gè)焊盤。所有磁電阻傳感元件15相互電連接構(gòu)成了全橋的推臂，所有磁 電阻傳感元件16相互電連接構(gòu)成了全橋的挽臂，推臂與挽臂相間隔排列，推臂、挽臂以及 焊盤28-30之間通過電連接導(dǎo)體27連接形成推挽全橋。磁電阻傳感元件15, 16沿著Z-磁 通量控制器10的長度方向排列。在圖8中，磁電阻傳感元件15, 16分別成行排布于Z-磁 通量控制器10下方的兩側(cè)，被Z-磁通量控制器10覆蓋。除了上下兩端和最中間的這三個(gè) Z-磁通量控制器10,每一Z-磁通量控制器10下方兩側(cè)均排布有一行推臂磁電阻傳感元件 15和一行挽臂磁電阻傳感元件16,如果有必要，這三個(gè)Z-磁通量控制器10下方也可以排 布有磁電阻傳感元件15, 16。
[0051] 圖9為Z軸傳感器在Z軸方向的外加磁場(chǎng)106中的磁場(chǎng)分布圖。從圖中磁力線的 分布情況可以看出，外加磁場(chǎng)在Z-磁通量控制器10附近產(chǎn)生扭曲，從而產(chǎn)生了X軸方向的 磁場(chǎng)分量，位于Z-磁通量控制器10下方的磁電阻傳感元件15和16正好能檢測(cè)到此分量， 但二者所檢測(cè)到的磁場(chǎng)分量的方向相反，分別為107和108。通過所檢測(cè)到的X軸磁場(chǎng)分 量，便能得知所施加的外加磁場(chǎng)的大小。
[0052] 圖10為Z軸傳