1988 年,巨磁电阻(GMR)效应的发现打开了磁电子学这门新学科的大门,在基础研究和应用研究领域都引起了广泛的兴趣,尤其为磁性传感器领域带来了一场具有深远影响的革命。与传统的磁性传感器相比,GMR 传感器具有灵敏度高、功耗低、体积小、可靠性高、耐恶劣环境等一系列优点。制作高性能的GMR 角度传感器和 GMR 线性传感器是目前学术界和产业界的热点。本论文工作的目的在于解决 GMR 薄膜材料的制备、集成以及 GMR 传感器设计方面的问题,最终实现高性能的 GMR 传感器件。论文首先研究了 GMR 自旋阀薄膜材料的制备工艺。利用直流磁控溅射法成功制备了顶钉扎和底钉扎两种自旋阀薄膜材料,通过比较两者的结构,研究了缓冲层在底钉扎自旋阀结构中的作用。在此基础上,重点研究了磁场退火处理对 GMR 性能的影响。得到的 GMR 自旋阀材料磁电阻率超过 9%,在通过垂直钉扎场方向的磁场退火处理后,矫顽力下降到 0.1Oe 以下。其次,我们将 GMR 薄膜材料通过半导体工艺集成到传感器芯片上去。针对角度测量和线性测量的应用,设计单个磁阻条和惠斯通电桥两种传感单元,并分别进行了版图和工艺的设计,经过多次工艺流水,得到的传感器性能良好。所得的 GMR 角度传感器能输出标准的正弦曲线,360 度范围内因矫顽力造成的角度误差小于 0.5 度;GMR 线性传感器在±10Oe 的范围内矫顽力小于 0.1Oe,线性度超过 99.9%。在材料制备和器件流水的基础上,设计了基于 GMR 效应的磁栅尺位移传感器芯片。通过同相位多周期的组合设计使测量误差降低、功耗减小,通过调零电阻的设计使惠斯通电桥的平衡性能得到加强,并解决了制作工艺上的一些困难,成品率得到提高。使用了 GMR 芯片的磁栅尺的位移测量精度可以达到10μm。