Das mit dem Differenzeingang wird schon gehen. Allerdings muss man auch wirklich 2 Eingänge des µC nutzen und mit dem Sensor verbinden, denn das Signal vom Sensor ist zwischen den beiden Eingängen, nicht nach GND. Wenn man nur einen der Ausgänge nutzt wird das Signal kleiner, denn die beiden Ausgänge verschieben sich in unterschiedliche Richtungen. So weit ich das kenne geht der interne Gain bei den AVRs auch nur für die Differenzeingänge - es geht also auch am µC nicht anders.

Wenn es sein muss, könnte man den Bereich noch etwas anpassen, indem man als Ref. Spannung nicht die vollen 3,3 V nimmt, sondern neu einen Teil (z.B. 2/3). Wirklich nötig ist das aber auch nicht - das kann auch so für 10 Bit Auflösung (nicht Genauigkeit) reichen, vor allem, wenn man den Sensor mehrmals ausließt. Wenn es genauer werden soll, wäre ein externer AD mit mehr Auflösung und Differenzeingang die Logische Lösung, ggf. auch ohne Verstärkung.