随着信息技术的发展,磁传感芯片已经广泛地应用于物联网、航空航天、汽车、消费电子及生物医疗等众多领域。如今,磁传感器芯片的产值已经突破20亿美元,其年增长速度更是保持在8%以上。近年来,应用场景对磁场的探测精度、器件尺寸以及功耗等参数提出了更高的要求,传统的霍尔传感器由于灵敏度低及功耗大等缺点愈发难以满足对磁场精密测量的要求。幸运的是,新兴的自旋电子传感器弥补了霍尔传感器的不足,表现出了广阔的应用前景,被学术界与工业界广泛关注。其中,基于巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应的传感器因其高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点有望成为下一代磁传感器的主流产品,目前已经成为全世界诸多研究机构以及英飞凌、霍尼韦尔等众多传感器公司的研究重点。在诸多传感器的设计中,高灵敏度传感器膜堆的设计以及基于抵抗温漂的惠斯通全桥结构的同片集成工艺仍是自旋电子传感器亟需解决的问题。因此,本论文围绕隧穿磁电阻传感器的膜堆设计、单轴惠斯通全桥结构的设计以及双轴惠斯通全桥结构的同片集成工艺进行了一系列研究工作,主要内容概括如下:1、IrMn基磁性隧道结多层膜的优化。通过对人工合成反铁磁结构的优化,获得反铁磁耦合强度达6300 Oe,且杂散场为零的磁性薄膜。然后,对Ta,Ta/Ru,Ta/NiFe及NiFeCr四种种子层的交换偏置结构和隧道结结构进行了对比研究,实验结果表明:Ta/Ru种子层利于IrMn（111）织构的形成、有较好的热稳定性以及小的界面扩散,同时可以获得最大的隧穿磁电阻比率。而且,我们对IrMn基MgO隧穿磁电阻传感器结构进行了分析,为高灵敏的磁传感器膜堆的设计及优化提供了指导。2、零场降温退火对隧道结钉扎方向的调控。通过对反铁磁层楔形结构的隧道结退火,观察到在零场降温退火的条件下钉扎方向发生反转现象。为此,我们基于Stoner-Wohlfarth模型进行了理论计算,发现钉扎方向主要由交换偏置能与层间耦合能决定。最后,通过实验验证了理论模型的正确性。零场冷退火对隧道结钉扎方向的调控为传感器的惠斯通全桥的设计提供了新的思路。3、后退火工艺对巨磁电阻惠斯通全桥传感器的构建。我们借助Matlab计算软件,对钉扎方向为±45°的巨磁电阻惠斯通全桥结构进行了理论验证。然后,基于工艺简单且成熟的巨磁电阻薄膜结构进行了实验验证。通过磁控溅射、紫外光刻、刻蚀、电子束蒸发等技术加工成±45°磁电阻条器件。最后,在零场冷却退火的工艺下实现惠斯通全桥传感器的制备。通过后退火工艺制备的惠斯通全桥结构传感器灵敏度可达0.2 mV/V/Oe。4、双轴巨磁电阻惠斯通全桥传感器的构建。本论文提出了一种利用IrMn自旋轨道矩操纵交换偏置场的方法,从而实现了双轴惠斯通全桥传感器的同片集成。首先,制备了IrMn/CoFe双层膜结构对原理进行了验证,并分别在自旋阀巨磁电阻结构和带有人工合成反铁磁结构的巨磁电阻薄膜中实现了双轴惠斯通全桥传感器的构建。同时,针对实际应用,对X轴和Y轴传感器的输出及噪声功率谱密度进行了表征,测试结果表明:自旋阀结构的双轴传感器在10 Hz下X轴和Y轴的分辨率可达9.45 nT/Hz1/2和12.3 nT/Hz1/2。此外,我们通过简单的电路设计实现了地磁场角度的全自动检测。