CN104635183A - 磁场量測方法以及电子罗盘装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁场量测方法包括首先于基材平面提供磁阻传感器。基材平面设有彼此垂直的X轴和Y轴，以及垂直X轴和Y轴的Z轴。提供外加磁场分别与X轴和Y轴夹第一倾斜角度θ和第二倾斜角度分别量测出平行X轴的第一磁场量测值Xsens和平行Y轴的第二磁场量测值Ysens。定义块虚拟平面，外加磁场垂直虚拟平面的磁场分量为零；以虚拟平面为基准，调校第一倾斜角度θ和第二倾斜角度根据调校后的第一倾斜角度θ和调校后的第二倾斜角度以及第一磁场量测值Xsens和第二磁场量测值Ysens，分别估算外加磁场平行X轴的X轴磁场分量Xfield、平行Y轴的Y轴磁场分量Yfield以该平行Z轴的Z轴磁场分量Zfield。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场量测技术领域，且特别涉及一种使用二维磁阻感测装置来量测三维磁场的磁场量测方法以及使用此方法的电子罗盘装置。
背景技术
由于消费电子产品如手机、电子罗盘的出现，再加上马达、制动器等传统产品，使磁阻式磁感测装置（简称磁阻感测装置）的需求日益增加。尤其是三维磁阻感测装置，可感测出互为正交的X、Y、Z三轴的磁场变化，而电子罗盘便是利用三维磁阻感测装置，精准的量测出地球磁场。
目前三维式磁阻传感器的技术已相当成熟。然而，现有技术是采用多芯片或具有立体结构的磁阻感测组件，分别量测平行基材水平面的X轴和Y轴以及垂直基材水平面Z轴方向的磁场变化。
但是多芯片或立体结构的磁阻感测组件，不仅结构较为复杂，制程成本较高，加上半导体组件关键尺寸日益缩小，更不利于多芯片或立体结构的磁阻感测组件进行封装，使制程合格率不易提升。再者，由于X轴、Y轴和Z轴方向的磁场变化，必须通过多个灵敏度不同的磁阻感测单元分别量测，所量测数值必须进一步加以标准化，间接地扩大量测误差值，影响量测品质。
有鉴于此，有需要提供一种先进的磁场量测方法，解决现有技术所面临的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁场量测方法，其包含下述步骤:首先在基材平面上提供磁阻传感器，其中基材平面具有彼此垂直的X轴和Y轴，以及垂直X轴和Y轴的Z轴。当外加磁场分别与X轴和Y轴夹第一倾斜角度(θ)和第二倾斜角度时，分别量测出平行X轴的第一磁场量测值(Xsens)和平行Y轴的第二磁场量测值(Ysens)。之后，定义虚拟平面，使外加磁场垂直虚拟平面的磁场分量为零。再以此虚拟平面为基准，调校第一倾斜角度(θ)和第二倾斜角度然后，根据调校后的第一倾斜角度(θ)和调校后的第二倾斜角度以及第一磁场量测值(Xsens)和第二磁场量测值(Ysens)，分别估算外加磁场平行X轴的X轴磁场分量(Xfield)、平行Y轴的Y轴磁场分量(Yfield)以及平行Z轴的Z轴磁场分量(Zfield)。
根据上述实施例，本发明是采用平面磁阻感测组件，来量测平行基材平面的二维磁场量测值，进而估算出基材平面上方三维空间的磁场分量。由于，不需额外采用多芯片或具有立体结构的磁阻感测组件，即可估算垂直基材平面的磁场分量。因此，本发明的实施例所使用的磁场量测装置，结构相对单纯，不仅可大幅降低制作成本。更可解决因半导体组件关键尺寸缩小，造成磁场量测装置制程良率不佳的问题。另外，由于垂直基材平面的磁场分量，是由平行基材平面的二维磁场量测值所直接推估而得，并不需对量测的数值进行额外的标准化处理，可降低量测误差，达到上述发明的目的。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举数个较佳实施例，并配合附图，详细说明。
附图说明
图1是本发明一实施例的磁阻感测组件结构俯视图。
图2是本发明另一实施例的磁阻感测组件布线示意图。
图3是本发明一较佳实施例的磁场量测装置来量测外加磁场的方法示意图。
图4是本发明一较佳实施例的定义虚拟平面的方法示意图。
图5是本发明另一实施例的磁场量测装置结构俯视图。
具体实施方式
本发明的目的，是提供一种磁场量测方法，可采用平面磁阻感测装置，来量测平行基材平面的二维磁场量测值，进一步估算出基材平面上方三维空间的磁场分量。为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合所附图式，其详细说明如下：
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
其中磁场量测方法包含下述步骤:首先提供磁阻传感器。请参照图1，图1是本发明一实施例的磁阻感测组件结构俯视图。其中，磁阻感测组件100，至少包含形成于基材101上的第一磁阻感测单元102和第二磁阻感测单元103。
基材101可为表层覆盖绝缘材料的硅基板，或是具有前段逻辑晶体管组件的硅芯片。基材101具有基材平面101a，包含彼此垂直的X轴和Y轴，以及垂直X轴和Y轴的Z轴。
第一磁阻感测单元102，较佳是采用现有的结构设计，其包含磁性层1021以及多个电极(例如电极1022a、1022b、1022c和1022d)。其中，电极1022a、1022b、1022c和1022d，位于基材101的基材平面101a上，且彼此分离。磁性层1021，也位于基材平面101a上，且磁性层1021的长轴方向，垂直基材平面101a的X轴，并与电极1022a、1022b、1022c和1022d接触。
在本发明的一些实施例之中，电极1022a、1022b、1022c和1022d，是由相同或不同的图案化金属层所构成。而构成磁性层1021的材料，可为铁磁材料、反铁磁材料、非铁磁性金属材料、穿隧氧化物材料之一或其组合(但不以此为限)，可使电极1022a、1022b、1022c和1022d彼此导通。流经磁性层102的电流，会分别在导通两相邻电极102的部分磁性层1021中，定义出多条电阻最小的电流导通路径I1。
另外，当外加磁场为零时，磁性层1021受形状异向性的作用，具有平行其磁性层膜面的磁化方向M1。当电极1022a、1022b、1022c和1022d彼此导通时，磁性层1021的电流导通路径I1，会与磁化方向M1夹一个特定角度δ1，在外加磁场为零的情况下，角度δ1较佳为45°。当磁阻感测单元102受到实质上平行磁性层102的外加磁场作用时，随着外加磁场强度改变，磁化方向M1将受到带动产生相对变化。若电流导通方向固定，则角度δ1的数值也会跟着改变，进而造成磁阻值也随之上升或下降，可用来感测垂直Y轴方向的磁场变化
第二磁阻感测单元103也采螺旋条纹结构设计，其包含一磁性层1031以及多个电极(例如电极1032a、1032b、1032c和1032d)。其中，电极1032a、1032b、1032c和1032d，位于基材101的基材平面101a上，且彼此分离。磁性层1031，也位于基材平面101a上，且磁性层1031的长轴方向，垂直基材平面101a的Y轴，并与电极1032a、1032b、1032c和1032d接触。
在本发明的一些实施例之中，电极1032a、1032b、1032c和1032d，是由相同或不同的图案化金属层所构成。而构成磁性层1031的材料，可为铁磁材料、反铁磁材料、非铁磁性金属材料、穿隧氧化物材料之一或其组合(但不以此为限)，可使电极1032a、1032b、1032c和1032d彼此导通。流经磁性层103的电流，会分别在导通两相邻电极的部分磁性层1031中，定义出多条电阻最小的电流导通路径I2。
另外，当外加磁场为零时，磁性层1031受形状异向性的作用，具有平行其磁性层膜面的磁化方向M2。当电极1032a、1032b、1032c和1032d彼此导通时，磁性层1031的电流导通路径I2，会与磁化方向M2夹一个特定角度δ2，在外加磁场为零的情况下，角度δ2较佳为45°。当磁阻感测单元103受到实质上平行磁性层103的外加磁场作用时，随着外加磁场强度改变，磁化方向M2将受到带动产生相对变化。若电流导通方向固定，则角度δ2的数值也会跟着改变，进而造成磁阻值跟着上升或下降，可用来感测垂直X轴方向的磁场变化。
值得注意的是，虽然在上述的实施例之中，磁阻感测单元102和103皆是由单一层磁性层所构成的异向性磁阻感测结构。但在本发明的一些实施例之中，磁阻感测单元100也可以是由多层不同磁性层彼此堆栈所构成的巨磁阻结构(Giant Magnetoresistance,GMR)、穿隧式磁阻结构(Tunneling Magnetoresistance,TMR)或庞磁阻结构ColossalMagnetoresistance，CMR)。
为了增进磁阻感测组件的感测能力，可将多个磁阻感测单元加以整合，进而形成感测讯号较强的磁阻感测组件。例如，图2是本发明另一实施例的磁阻感测组件布线示意图。如图2所示，磁阻感测组件200，是将四个图1所绘示的磁阻感测单元102和四个图1所绘示的磁阻感测单元103，分别组成一个惠斯登电桥回路（Wheatstone bridgecircuit）。透过惠斯登电桥回路的布线，可以放大磁阻讯号，更灵敏地感测磁场强度的改变。由于以多个磁阻感测单元组成惠斯登电桥回路是本技术领域所现有的，故磁阻感测组件200的详细功能与结构，不在此复述。
接着，将上述的磁阻感测组件100与其他组件(图未示)整合，形成磁场量测装置10。请参照图3所示，图3是本发明一较佳实施例的磁场量测装置来量测外加磁场的方法示意图。其中，外加磁场M3分别与基材平面101a的X轴和Y轴，夹有实质大于0°且小于180°的第一倾斜角度θ和第二倾斜角度而磁场量测装置10可分别量测出，平行X轴的第一磁场量测值Xsens和平行Y轴的第二磁场量测值Ysens；并通过第一磁场量测值Xsens和第二磁场量测值Ysens，计算出平行Z轴的第三磁场量测值Zsens，并且估算出外加磁场M3平行X轴的X轴磁场分量Xfield以及平行Y轴的Y轴磁场分量Yfield。
以一特定实施例为例，在理想状况下，假定外加磁场M3存在虚拟平面，使其垂直虚拟平面的磁场分量(即Z轴磁场分量Zfield)实质等于零，且此虚拟平面即为观测磁力大小的平面时(如图3所绘示)。X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield、Z轴磁场分量Zfield以及第三磁场量测值Zsens估算如下式:
方程式3-1
然而值得注意的是，磁场量测装置10实际上运用时是以基材的平面101a作为观测平面。然而，基材平面101a会随使用行为的翻转，而产生多种倾斜状态，导致观测平面与虚拟平面往往存在偏差。因此，当磁场量测装置10的倾斜状态，使外加磁场M3的Ｚ轴磁场分量等于零的虚拟平面，并不等同于观测平面时(Zfield≠0)，估算X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield、Z轴磁场分量Zfield以及第三磁场量测值Zsens，就必须考虑Z轴磁场分量Zfield的影响。因此，有必要对由第一磁场量测值Xsens和第二磁场量测值Ysens进行调校。
在本发明的一实施例中，调校并估算X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield、Z轴磁场分量Zfield以及第三磁场量测值Zsens的方式，是针对磁场量测装置10处于某一种倾斜状态时，外加磁场M3分别与基材平面101a的X轴和Y轴所夹的第一倾斜角度θ和第二倾斜角度进行补偿。
首先，图3是本发明一较佳实施例的磁场量测装置来量测外加磁场的方法示意图。以图3所示的基材平面101a的状态为基准，计算在目前的倾斜状态中，X轴和Y轴分别偏移的第一调校角度Δθ和第二调校角度再将第一倾斜角度(θ)与第一调校角度(Δθ)加总，将第二倾斜角和第二调校角度加总。即可将调校后的第一倾斜角度θ+Δθ以及调校后的第二倾斜角度带入方程式3-1，进一步估算出X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield、Z轴磁场分量Zfield以及第三磁场量测值Zsens估算如下式:
方程式3-2
然而，在实际操作时，基材平面101a的X轴和Y轴相对于虚拟平面的虚拟X轴X’和虚拟Y轴Y’偏移的角度，无法随即以前述方式对X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield和Z轴磁场分量Zfield进行估算。因此在实务上，必须透过一个学习机制，先通过磁场量测装置10，以目前使用状态的基材平面101a为基准，定义出外加磁场M3的Z轴的磁场分量实质等于零的虚拟平面104，再推算出X轴和Y相对于的虚拟X轴X’和虚拟Y轴Y’轴偏移的第一调校角度Δθ和第二调校角度后续，再估算出X轴磁场分量Xfield、Y轴磁场分量Yfield、Z轴磁场分量Zfield以及第三磁场量测值Zsens
请参照图4所示，图4是本发明一较佳实施例的定义虚拟平面的方法示意图。其中虚拟平面104，是由彼此垂直的虚拟X轴X’和虚拟Y轴Y’所定义的平面。
在本发明的一些实施例中，定义虚拟平面104的学习机制，包括:先旋转磁场量测装置10，使基材平面101a产生多种倾斜状态，且使X轴和Y轴，在每一种倾斜状态中，分别偏移不同的第一调校角度Δθ和第二调校角度接着，在不同倾斜状态下，量测平行X轴方向的第一磁场量测值Xsens以及平行Y轴的第二磁场量测值Ysens；并且将量测所得的第一磁场量测值Xsens和第二磁场量测值Ysens，带入方程式3-1，计算出平行Z轴的第三磁场量测值Zsens。当第三磁场量测值Zsens实质为零时，基材平面101a的倾斜状态，即为虚拟平面104。
后续，以虚拟平面104的倾斜状态为基准，根据目前的观测平面下，X轴和Y轴偏移的第一调校角度Δθ和第二调校角度来调校第一倾斜角度θ和第二倾斜角并将调校后的第一倾斜角度θ+Δθ和调校后的第二倾斜角带入方程式3-2，配合目前使用状态下，平行X轴的第一磁场量测值Xsens和平行Y轴的第二磁场量测值Ysens之后，计算出平行Z轴的第三磁场量测值Zsens，并且估算出外加磁场M3平行X轴的X轴磁场分量Xfield以及平行Y轴的Y轴磁场分量Yfield。平行Z轴的第三磁场量测值Zsens可视为Z轴磁场分量Zfield的估计值。
由于，第三磁场量测值Zsens，是由同一磁阻感测组件100同时量测的第一磁场量测值Xsens和第二磁场量测值Ysens推算而得，不需对三者的数值，进行额外的标准化处理，可降低量测误差
图5是本发明另一实施例的磁场量测装置结构俯视图，如图5所示，在本实施例之中，当外加磁场M3为地磁时，可直接使用重力传感器505，来得出观测平面的第一倾斜角度θ和第二倾斜角度进而估算地磁平行X轴的X轴磁场分量Xfield以及平行Y轴的Y轴磁场分量Yfield。平行Z轴的第三磁场量测值Zsens可视为地磁Z轴磁场分量Zfield的估计值。
因此在本实施例中，磁场量测装置50可做为一种电子罗盘装置。其中，磁场量测装置50实质上是由上述之磁阻感测组件100以及重力传感器505所构成。且在本发明的一些较加实施例之中，磁阻感测组件100和重力传感器505，可以是通过半导体整合制程所制作的微机电系统
根据上述实施例，本发明是采用平面磁阻感测组件，来量测平行基材平面的二维磁场量测值，进而估算出基材平面上方三维空间的磁场分量。由于不需额外采用多芯片或具有立体结构的磁阻感测组件，即可估算垂直基材平面的磁场分量。因此，本发明的实施例所使用的磁场量测装置，结构相对单纯，不仅可大幅降低制作成本。更可解决因半导体组件关键尺寸缩小，造成磁场量测装置制程合格率不佳的问题。另外，由于垂直基材平面的磁场分量，是由平行基材平面的二维磁场量测值所直接推估而得，并不需对量测的数值进行额外的标准化处理，可降低量测误差，达到上述发明的目的。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种磁场量测方法，其特征在于，其包括：
在基材平面提供磁阻传感器，该基材平面具有彼此垂直的X轴和Y轴，以及垂直该X轴和该Y轴的Z轴；
提供外加磁场，该外加磁场分别与该X轴和该Y轴夹合形成第一倾斜角度(θ)和第二倾斜角度分别量测出平行该X轴的第一磁场量测值(Xsens)和平行该Y轴的第二磁场量测值(Ysens)；
定义虚拟平面，该外加磁场具有垂直该虚拟平面的磁场分量，该磁场分量为零；
以该虚拟平面为基准，调校该第一倾斜角度(θ)和该第二倾斜角度以及
根据调校后的该第一倾斜角度(θ)和调校后的该第二倾斜角度以及该第一磁场量测值(Xsens)和该第二磁场量测值(Ysens)，分别估算该外加磁场平行该X轴的X轴磁场分量(Xfield)、平行该Y轴的Y轴磁场分量(Yfield)以及该平行该Z轴的Z轴磁场分量(Zfield)。
2.如权利要求1所述的磁场量测方法，其特征在于，定义该虚拟平面的步骤包括：
提供该基材平面的多种倾斜状态，以使该外加磁场在各该倾斜状态中，分别与该X轴和该Y轴夹合形成不同的该第一倾斜角度(θ)和该第二倾斜角度以及
量测该多种倾斜状态下的该第一磁场量测值(Xsens)及该第二磁场量测值(Ysens)；并以该第一磁场量测值(Xsens)和该第二磁场量测值(Ysens)，计算出平行该Z轴的第三磁场量测值(Zsens)；
当该第三磁场量测值(Zsens)为零时，该基材平面的该倾斜状态即为该虚拟平面。
3.如权利要求2所述的磁场量测方法，其特征在于，该第三磁场量测值(Zsens)计算如下式:
4.如权利要求1所述的磁场量测方法，其特征在于，该虚拟平面是由彼此垂直的虚拟X轴和虚拟Y轴所定义而成，且该X轴与该虚拟X轴之间的角度为第一调校角度(Δθ)，以及该Y轴与该虚拟Y轴之间的角度为第二调校角度
5.如权利要求4所述的磁场量测方法，其特征在于，调校该第一倾斜角度(θ)和该第二倾斜角的步骤包括：
将该第一倾斜角度(θ)与该第一调校角度(Δθ)加总；以及
将该第二倾斜角和该第二调校角度加总。
6.如权利要求5所述的磁场量测方法，其特征在于，该外加磁场的该X轴磁场分量(Xfield)、该Y轴磁场分量(Yfield)和该Z轴磁场分量(Zfield)，估算如下式:
7.如权利要求1所述的磁场量测方法，其特征在于，该磁阻传感器包括至少一个第一磁阻感测组件和至少一个第二磁阻感测组件，该第一磁阻感测组件包括第一电极、第二电极和第一磁性层，该第一电极、该第二电极和该第一磁性层均位于该基材平面上方；该第一磁性层具有平行该X轴的第一磁化方向，以及用来导通该第一电极和该第二电极的第一电流导通路径，该第一电流导通路径与该第一磁化方向夹合形成第一角度；该第二磁阻感测组件包括第三电极、第四电极和第二磁性层，该第三电极、该第四电极和该第二磁性层均位于该基材平面上方；该第二磁性层具有平行该Y轴的第二磁化方向，以及用来导通该第三电极和该第四电极的第二电流导通路径，该第二电流导通路径与该第二磁化方向夹合形成第二角度。
8.如权利要求7所述的磁场量测方法，其特征在于，该磁阻传感器包括四个该第一磁阻感测组件和四个该第二磁阻感测组件，四个该第一磁阻感测组件彼此电性链接，并组成惠斯登电桥回路；四个该第二磁阻感测组件彼此电性链接，并组成惠斯登电桥回路。
9.如权利要求1所述的磁场量测方法，其特征在于，当该外加磁场为地磁时，使用重力传感器，来调校该第一倾斜角度(θ)和该第二倾斜角度
10.一种电子罗盘装置，其特征在于，该电子罗盘装置包括基材平面以及设置在该基材平面的磁阻传感器以及重力传感器，该磁阻传感器包括至少一个第一磁阻感测组件和至少一个第二磁阻感测组件，该第一磁阻感测组件包括第一电极、第二电极和第一磁性层，该第一电极、该第二电极和该第一磁性层均位于该基材平面上方；该第一磁性层具有平行该X轴的第一磁化方向，以及用来导通该第一电极和该第二电极的第一电流导通路径，该第一电流导通路径与该第一磁化方向夹合形成第一角度；该第二磁阻感测组件包括第三电极、第四电极和第二磁性层，该第三电极、该第四电极和该第二磁性层均位于该基材平面上方；该第二磁性层具有平行该Y轴的第二磁化方向，以及用来导通该第三电极和该第四电极的第二电流导通路径，该第二电流导通路径与该第二磁化方向夹合形成第二角度。
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