CN103091649A - 磁感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种磁感测装置，其包含基板、多个磁阻感测单元、重置线圈以及补偿线圈。磁阻感测单元分别设置于该基板上。重置线圈设置于该些磁阻感测单元上方，该重置线圈用以导入一重置电流，利用该重置电流所产生的磁场对磁阻感测单元的磁化方向进行重置，该重置线圈包含多个第一主要线段。补偿线圈设置于该些磁阻感测单元上方，该补偿线圈用以导入一补偿电流，利用该补偿电流所产生的磁场对磁阻感测单元施加一补偿磁场，该补偿线圈包含多个第二主要线段，其中该重置线圈的该些第一主要线段与该补偿线圈的该些第二主要线段彼此垂直。

Description

磁感测装置

技术领域

本发明是有关于一种磁感测装置，且特别是有关于一种磁阻式感测装置的线圈结构设计。

背景技术

磁阻效应(Magnetoresistance Effect，MR)是指特定磁阻材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应。由于上述特性，磁阻材料通常被应用在各种磁力或磁场的感测装置当中，例如可用于固态罗盘定位(compassing)、金属检测以及位置检测等场合。

目前以磁阻材料进行磁感测的装置，较常见的如巨磁阻(GiantMagnetoresistance，GMR)磁传感器与异向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)磁传感器等。

巨磁阻效应存在于铁磁性(如：Fe，Co，Ni)与非铁磁性(如：Cr，Cu，Ag，Au)所形成的多层膜系统，由于巨磁阻(GMR)传感器需要铁磁性与非铁磁性材料交替设置的多层膜结构，在制造上较为复杂。

异向性磁阻效应存在于铁磁性(如：Fe，Co，Ni)材料及其合金块材或薄膜上。异向性磁阻(AMR)传感器的磁阻变化量于异向性磁阻材料上所通过的工作电流有关。

磁阻传感器中的磁阻材料具有一磁化方向，随着周围环境磁场的变化，各别磁阻材料的磁化方向将相对应地改变，因此，不同的环境条件下，磁阻材料各自的初始磁化方向将有所不同。

另一方面，温度变化亦可能导致磁阻传感器发生磁感测上的灵敏度偏差。使得磁阻传感器在高温与低温操作下呈现不同的感测结果。如此一来，将导致磁阻传感器的输出结果失真。

传感器的温度漂移可透过通过特定线圈对磁阻传感器建立正向和反向的重置磁场，并比较在正向和反向重置磁场下的传感器输出结果来进行补偿，然而，已知的补偿线圈仅有约一半的线段被用来建立同向的磁场，面积利用效率仅约50％，使得补偿线圈占去不必要的空间。此外，已知的补偿线圈为单螺旋式，在宽度方向上尺寸较大，使得补偿线圈占去不必要的空间。

也就是说，已知的磁阻传感器面临许多问题，例如测量时内部磁化方向不一以及温度造成的感测偏差等。

发明内容

为解决上述问题，本发明揭露一种磁感测装置，其包含多个磁阻感测单元、补偿线圈以及重置线圈。其中，补偿线圈用以导入补偿电流以建立补偿磁场，以校正因外部干扰磁场引起的传感器输出偏差。重置线圈用以导入重置电流以建立重置磁场，借此在进行感测之前，重置磁阻感测单元的磁化方向，使磁阻感测单元的磁化方向一致，借此确保磁感测装置的感测精确度。此外，磁阻传感器的温度漂移可以通过比较在正向和反向重置磁场下的传感器输出结果来进行校正。本案的重置线圈与补偿线圈的主要线段彼此垂直，借此产生具有不同目的的两组磁场。

本发明的一方面是在提供一种磁感测装置，其包含基板、多个磁阻感测单元、重置线圈以及补偿线圈。磁阻感测单元分别设置于该基板上。重置线圈设置于该些磁阻感测单元上方，该重置线圈用以导入一重置电流，其中该重置电流所产生的磁场用以对磁阻感测单元的磁化方向进行重置，该重置线圈包含多个第一主要线段。补偿线圈设置于该些磁阻感测单元上方，该补偿线圈用以导入一补偿电流，其中该补偿电流所产生的磁场用以对磁阻感测单元施加一补偿磁场，该补偿线圈包含多个第二主要线段，其中该重置线圈的该些第一主要线段与该补偿线圈的该些第二主要线段彼此垂直。

根据本发明内容的一实施例，该重置线圈还包含多个连接线段，其中该些第一主要线段平行排列且彼此间留有空隙，其中每一连接线段连接于其中两个第一主要线段的相邻端点之间，并使该重置线圈中的该些第一主要线段以及该些连接线段连接为一螺旋状线圈。

根据本发明内容的一实施例，其中该些第一主要线段的配置方向与该些磁阻感测单元的配置方向垂直。

根据本发明内容的一实施例，其中该重置线圈具有多个缺口结构位于该重置线圈的转折处。

根据本发明内容的一实施例，其中该补偿线圈还包含多个连接线段，其中该些第二主要线段平行排列且彼此间留有空隙，其中每一连接线段连接于其中两个第二主要线段的相邻端点之间，并使该补偿线圈中的该些第二主要线段以及该些连接线段连接为该第一螺旋部分以及该第二螺旋部分。

根据本发明内容的一实施例，其中该些第二主要线段的配置方向与该些磁阻感测单元的配置方向平行。

根据本发明内容的一实施例，其中该些第二主要线段中至少一部分第二主要线段覆盖该些磁阻感测单元。

根据本发明内容的一实施例，其中当该补偿电流通过覆盖该些磁阻感测单元的该至少一部分第二主要线段时，该补偿电流于该至少一部分第二主要线段上具有相同的电流流向。

根据本发明内容的一实施例，其中每一该些磁阻感应组件为一长条状，且每一该些磁阻感应组件的两端分别为锐角尖端。

根据本发明内容的一实施例，其中该磁感测装置为一异向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)感测装置，而该些磁阻感测单元分别包含一异向性磁阻材料。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示根据本发明的一实施例中一种磁感测装置的俯视示意图；

图2绘示图1中磁阻感测单元其分离示意图；

图3绘示图1中补偿线圈其分离示意图；

图4绘示图1中补偿线圈其分离示意图；

图5绘示图1中重置线圈其分离示意图；

图6绘示图1中重置线圈其分离示意图；以及

图7绘示图1中补偿线圈与重置线圈两者的示意图。

【主要组件符号说明】

100：磁感测装置

120：基板

140a，140b：磁阻感测单元

160：补偿线圈

160a：第一螺旋部分

160b：第一螺旋部分

162：补偿电流

164：主要线段

165：主要线段

166：连接线段

180：重置线圈

182：重置电流

184：主要线段

186：连接线段

184a：内侧侧边

184b：外侧侧边

188：缺口结构

188a：锥形缺角

188b：狭缝

具体实施方式

请参阅图1，其绘示根据本发明的一实施例中一种磁感测装置100的俯视示意图。如图1所示，磁感测装置100至少包含基板120、多个磁阻感测单元140a，140b、补偿线圈160以及重置线圈180。

实际应用中，磁感测装置100可更进一步包含输出入接口端点(未绘示)以及相对应的连接线路(未绘示)，用来将电流或电压信号导入上述磁阻感测单元140a，140b、补偿线圈160以及重置线圈180当中，由于接口端点与连接线路的设置为已知技艺之人所熟知，故在此不另赘述。

请一并参阅图2，其绘示图1中磁阻感测单元140a，140b其分离示意图。如图1与图2所示，本实施例中磁感测装置100包含多个磁阻感测单元140a，140b分别设置于基板120上。于此实施例中，磁感测装置100共有十六组磁阻感测单元140a，140b，但本发明并不此特定数目的磁阻感测单元140a，140b为限，实际应用中，磁阻感测单元140a，140b的数量可视实际磁感应需求而订。如图2所示，每一磁阻感测单元140a，140b分别为一长条状，且磁阻感应组件140a，140b的两端分别为锐角尖端。

由于，已知的磁阻感应组件的两端为方形端，两端边在线较容易极化而形成静态磁场，此一静态磁场将使得磁阻感应组件的灵敏度下降。本案中的磁阻感应组件140a，140b的两端分别为锐角尖端，借此可减少在端在线发生极化现象并避免上述静态磁场的发生。

于此实施例中，磁感测装置100可为异向性磁阻(AnisotropicMagnetoresistance，AMR)感测装置，而磁阻感测单元140a，140b可分别包含异向性磁阻材料。磁阻感测单元140a，140b的阻值将随施加于其上的磁场而改变，因此，磁感测装置100透过磁阻感测单元140a，140b可用以感测周围的磁场。

请一并参阅图3，其绘示图1中补偿线圈160其分离示意图。如图1与图3所示，本实施例中补偿线圈160设置于该些磁阻感测单元140a，140b上方，补偿线圈160的至少一部分覆盖该些磁阻感测单元140a，140b。补偿线圈160用以导入补偿电流162(如图3所示)。补偿电流162流过该补偿线圈160用来建立一补偿磁场至磁阻感测单元140a，140b。此补偿磁场可用来校正因外部干扰磁场对磁阻感测单元140a，140b所造成的影响，其校正的效果可透过补偿电流162的电流大小进行控制。

请一并参阅图4，其绘示图1中补偿线圈160其分离示意图。如图4所示，补偿线圈160的线路配置包含彼此反向的第一螺旋部分160a以及第二螺旋部分160b。

如图4所示，其中补偿线圈160包含多个主要线段164，165以及多个连接线段166，其中该些主要线段164，165平行排列且彼此间留有空隙，其中每一连接线段166连接于其中两个主要线段164，165的相邻端点之间，并使该重置线圈中的该些主要线段164，165以及该些连接线段166连接为第一螺旋部分160a以及第二螺旋部分160b。

如图3与图4所示，于此实施例中，主要线段164，165的配置方向与磁阻感测单元140a，140b的配置方向平行。连接线段166的配置方向与磁阻感测单元140a，140b的配置方向垂直。

如图3与图4所示，在上述主要线段164，165之中，其中一部分主要线段(即图4中的主要线段164)覆盖磁阻感测单元140a，140b。

根据本发明内容的一实施例，其中当补偿电流162通过覆盖磁阻感测单元140a，140b的部分主要线段164时，补偿电流162于主要线段164上具有相同的电流流向。

须特别说明的是，本实施例中补偿线圈160具有双螺旋结构，补偿线圈160左半部的第一螺旋部分160a为顺时针螺旋，右半部的第二螺旋部分160b为逆时针螺旋，但本发明并不此以为限，于另一实施例中，第一螺旋部分与第二螺旋部分的螺旋方向亦可互换。

通过此反向的双螺旋设计，并配合本案中补偿线圈160与磁阻感测单元140a，140b的配置关系，于此例中，通过磁阻感测单元140a，140b上方的补偿电流162皆具有相同的电流流向，如图3的实施例中，通过磁阻感测单元140a，140b上方的补偿电流162皆为由上向下流动。借此，使补偿电流162可建立同一方向的补偿磁场至所有的磁阻感测单元140a，140b。此外，本案中反向双螺旋设计的补偿线圈160可节省线圈宽度与整体面积，借此可提高磁感测装置100的面积使用效率。

须补充说明的是，于上述实施例中，通过磁阻感测单元140a，140b上方的补偿电流162是由上向下流动，但本发明并不以此为限，采用反向的补偿电流亦可达到相似的效果，视实际电路需求中须补偿的磁场方向而订。

请一并参阅图5以及图6，其绘示图1中重置线圈180其分离示意图。如图5所示，重置线圈180用以导入重置电流182，重置线圈180的至少一部分覆盖该些磁阻感测单元140a，140b，重置电流182用以重置磁阻感测单元140a，140b。

如图6所示，重置线圈180包含多个主要线段184以及多个连接线段186，其中主要线段184平行排列且彼此间留有空隙，其中连接线段186连接于其中两个主要线段184的相邻端点之间，并使重置线圈180中的主要线段184以及连接线段186连接为螺旋状线圈。此螺旋状线圈可为一顺时针螺旋或一逆时针螺旋，于此实施例中所举例绘示的为顺时针螺旋，但本发明并不以此为限。

基于磁阻材料特性，每一磁阻感测单元140a，140b中包含许多个扇区，每一个扇区具有一个磁化方向。如图5所示，对位于图示上方的八组磁阻感测单元140a而言，流经重置线圈180的重置电流182具有由左至右的电流流向，重置电流182可用以建立一重置磁场，对磁阻感测单元140a中每一扇区的磁化方向进行重置，使磁阻感测单元140a的磁化方向重置为相同的一磁化方向。

另一方面，对位于图示下方的八组磁阻感测单元140b而言，流经重置线圈180的重置电流182具有由右至左的电流流向，此时，重置电流182可用以建立另一重置磁场，对磁阻感测单元140b中每一扇区的磁化方向进行重置，使磁阻感测单元140b的磁化方向重置为相同的另一磁化方向。

借此，磁阻感测单元140a与磁阻感测单元140b经重置后可分别具有统一的磁化方向。借此在每一次进行感测前进行重置，或是周期性地进行重置，便可确保磁阻感测单元140a与磁阻感测单元140b各自具有一致的磁化方向一致，借此确保磁感测装置的感测精确度。并且，磁阻传感器的温度漂移可以通过比较在正向和反向重置磁场下的传感器输出结果来进行校正，在高精度罗盘系统或高敏感性的精密装置中十分重要。

此外，如图5以及图6所示，重置线圈180中的主要线段184的线段宽度较宽，重置线圈180的主要线段184大于重置线圈180的连接线段186的线段宽度。

在实际电流流动过程中，重置电流182会趋向较短的路径的流动路线前进。也就是说，在一般的螺旋状的重置线圈上，重置电流将沿着重置线圈上靠近螺旋中心的内侧侧边流动，如此一来，将使得重置电流无法平均分布于重置线圈各线段上，而集中在重置线圈的内侧侧边。尤其是重置线圈180的主要线段184其宽度较宽，影响更为明显。

因此，本发明的重置线圈180具有多个缺口结构188，缺口结构188分别位于重置线圈180的转折处。如图6所示，每一该些主要线段184具有内侧侧边184a以及外侧侧边184b。内侧侧边184a邻近螺旋状的重置线圈180中心。如图所示，位于重置线圈180的转折处的缺口结构188是设置于主要线段184的内侧侧边184a上。

如图6所示，于本实施例中，重置线圈180上的每一组缺口结构188可包含一个锥形缺角188a以及邻近的一个狭缝188b，其中狭缝188b的设置方向可大致与锥形缺角188a的其中一个侧边平行。于此实施例中，缺口结构188是包含锥形缺角188a与狭缝188b，但本发明并不以此为限，于另一实施例中，缺口结构188亦可仅包含设置于内侧侧边的缺角，或是设置内侧侧边的各种不同形状的等效性缺口，均应视为本发明的范畴。

同时参照图5与图6可知，利用上述缺口结构188的设计，可避免重置电流182过度集中于主要线段184的内侧侧边184a。当重置电流182流经重置线圈180的转折处时，锥形缺角188a与狭缝188b将使重置电流182于重置线圈180上流动路径较为平均分布在线圈的各个位置。如图5所绘示的示意图中，在重置线圈180上重置电流182的流动路径可大致被分配至重置线圈180的内侧、中央与外侧等位置。于图5中，为了图面的简洁，仅在重置线圈180最内圈的转折处绘示电流路径的分布，实际上在重置线圈180各转折处的缺口结构188，皆可达到类似效果。

须特别说明的是，本发明的磁感测装置100中同时设置有补偿线圈160与重置线圈180。请一并参照图7，绘示图1中补偿线圈160与重置线圈180两者的示意图。如图7所示，本发明中的补偿线圈160的主要线段164，165与重置线圈180的主要线段184彼此垂直。

如图4、图6以及图7所示实施例中，该重置线圈180的主要线段184的配置方向与磁阻感测单元120的配置方向垂直，而补偿线圈160的主要线段164，165的配置方向与磁阻感测单元120的配置方向平行。如此一来，本案中彼此垂直的重置线圈180与补偿线圈160可各自产生具有不同目的的两组磁场，进而用来重置以及补偿磁阻感测单元120。

实际应用中，上述磁阻感测单元140、补偿线圈160以及重置线圈180可分别为一薄膜结构，设置于该基板120上，且本发明上述实施例中各薄膜的排列仅为例示性说明，并不将磁阻感测单元140、补偿线圈160以及重置线圈180限定于特定的上下位置排列。

综上所述，本发明的磁感测装置其包含多个磁阻感测单元、补偿线圈以及重置线圈。其中，补偿线圈用以导入补偿电流以建立补偿磁场，以校正因外部干扰磁场对磁阻传感器输出产生的偏差。重置线圈用以导入重置电流以建立重置磁场，借此在进行感测之前，重置磁阻感测单元的磁化方向，使磁阻感测单元的磁化方向一致，借此确保磁感测装置的感测精确度。并且，磁阻传感器的温度漂移可以通过比较在正向和反向重置磁场下的传感器输出结果来进行校正。此外，本案的补偿线圈的线路配置具有彼此反向的双螺旋结构，借此，可使补偿线圈所占用的宽度最小，并使得补偿电流通过磁阻感测单元附近时具有相同的电流流向。此外，本案的重置线圈与补偿线圈的主要线段彼此垂直，借此产生具有不同目的的两组磁场，进而用来重置以及补偿磁感测装置中的磁阻感测单元。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种磁感测装置，其特征在于，包含：

一基板；

多个磁阻感测单元，分别设置于该基板上；

一重置线圈，设置于该些磁阻感测单元上方，该重置线圈用以导入一重置电流，其中该重置电流所产生的磁场用以对磁阻感测单元的磁化方向进行重置，该重置线圈包含多个第一主要线段；以及

一补偿线圈，设置于该些磁阻感测单元上方，该补偿线圈用以导入一补偿电流，其中该补偿电流所产生的磁场用以对磁阻感测单元施加一补偿磁场，该补偿线圈包含多个第二主要线段，其中该重置线圈的该些第一主要线段与该补偿线圈的该些第二主要线段彼此垂直。

2.根据权利要求1所述的磁感测装置，其特征在于，该重置线圈还包含多个连接线段，其中该些第一主要线段平行排列且彼此间留有空隙，其中每一连接线段连接于其中两个第一主要线段的相邻端点之间，并使该重置线圈中的该些第一主要线段以及该些连接线段连接为一螺旋状线圈。

3.根据权利要求2所述的磁感测装置，其特征在于，该些第一主要线段的配置方向与该些磁阻感测单元的配置方向垂直。

4.根据权利要求1所述的磁感测装置，其特征在于，该重置线圈具有多个缺口结构位于该重置线圈的转折处。

5.根据权利要求1所述的磁感测装置，其特征在于，该补偿线圈还包含多个连接线段，其中该些第二主要线段平行排列且彼此间留有空隙，其中每一连接线段连接于其中两个第二主要线段的相邻端点之间，并使该补偿线圈中的该些第二主要线段以及该些连接线段连接为该第一螺旋部分以及该第二螺旋部分。

6.根据权利要求5所述的磁感测装置，其特征在于，该些第二主要线段的配置方向与该些磁阻感测单元的配置方向平行。

7.根据权利要求5所述的磁感测装置，其特征在于，该些第二主要线段中至少一部分第二主要线段覆盖该些磁阻感测单元。

8.根据权利要求7所述的磁感测装置，其特征在于，当该补偿电流通过覆盖该些磁阻感测单元的该至少一部分第二主要线段时，该补偿电流于该至少一部分第二主要线段上具有相同的电流流向。

9.根据权利要求1所述的磁感测装置，其特征在于，每一该些磁阻感应组件为一长条状，且每一该些磁阻感应组件的两端分别为锐角尖端。

10.根据权利要求1所述的磁感测装置，其特征在于，该磁感测装置为一异向性磁阻感测装置，而该些磁阻感测单元分别包含一异向性磁阻材料。

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