CN110007255B - 磁场感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场感测装置，包括多个第一磁电阻单元及多个第二磁电阻单元。这些第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向与第三方向所构成的平面，且相对第一方向与第三方向倾斜。这些第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向与第三方向所构成的平面，且相对于第二方向与第三方向倾斜。这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元用以在多个不同时间分别量测三维空间中的多个方向上的多个磁场分量。

Description

磁场感测装置

技术领域

本发明涉及一种磁场感测装置。

背景技术

随着可携式电子装置的普及，能够感应地磁方向的电子罗盘的技术便受到重视。当电子罗盘应用于体积小的可携式电子装置(如智能手机)时，电子罗盘除了需符合体积小的需求之外，最好还能够达到三轴的感测，这是因为使用者以手握持手机时，有可能是倾斜地握持，且各种不同的握持角度也都可能产生。此外，电子罗盘也可应用于无人机(drone)(例如遥控飞机、遥控直升机等)上，而此时电子罗盘也最好能够达到三轴的感测。

在现有技术中，一般常利用异向性磁电阻(anisotropic magnetoresistor,AMR)并通过惠斯登电桥(Wheatstone bridge)架构来进行磁场的感测动作，但是现有技术的磁场感测装置常需要较大的布局面积，造成生产成本的增加。

发明内容

本发明提供一种磁场感测装置，其可以以简化的结构与较小的体积达成多个维度上的磁场分量的量测。

本发明的一实施例提出一种磁场感测装置，包括多个第一磁电阻单元及多个第二磁电阻单元。这些第一磁电阻单元配置于由第一方向、第二方向及第三方向所构成的三维空间中，其中这些第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向与第三方向所构成的平面，且相对第一方向与第三方向倾斜。这些第二磁电阻单元配置于三维空间中，其中这些第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向与第三方向所构成的平面，且相对于第二方向与第三方向倾斜。这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元在多个不同时间电性连接成多种不同的惠斯登电桥，或电性连接成一种惠斯登电桥但此一种惠斯登电桥所连接的这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元在这些不同的时间分别被切换至多种不同的磁化方向组合，以分别量测三维空间中的多个方向上的多个磁场分量。

基于上述，在本发明的实施例的磁场感测装置中，由于这些第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向与第三方向所构成的平面，且相对第一方向与第三方向倾斜，且这些第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向与第三方向所构成的平面，且相对于第二方向与第三方向倾斜，因此本发明的实施例的磁场感测装置能够具有简化的结构且同时能实现多维度的磁场量测，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A、图1B及图1C为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第四方向、第五方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。

图2A为图1A的磁场感测装置沿着I-I线的剖面示意图。

图2B为图1A的磁场感测装置沿着II-II线的剖面示意图。

图3A与图3B是用以说明图1A中的异向性磁电阻的运作原理。

图4为图2A的磁场感测装置的另一变形。

图5A、图5B及图5C为本发明的另一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第四方向、第五方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。

图6A、图6B及图6C为本发明的又一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第一方向、第二方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。

图7A、图7B及图7C为本发明的再一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第一方向、第二方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。

附图标记说明：100、100a、100b、100c：磁场感测装置；

110：第一磁电阻单元；

120：第二磁电阻单元；

130、132、134、136、138：磁化方向设定元件；

150：基板；

160：切换电路；

170、170a、180、180a：绝缘层；

300、A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2：异向性磁电阻；

310：短路棒；

320：铁磁膜；

D：延伸方向；

E1～E4：接点；

H：外在磁场；

H1、H2、H3、H4、H5：磁场分量；

i：电流；

M、M1、M1’、M2、M2’、M3、M3’、M4、M4’、M5、M5’、M6、M7、M7’、M8、M8’：磁化方向；

P1～P12：端点；

R1、R2：磁场感测轴；

S1、S2、S3、S4：斜坡面；

X1：第一方向；

X2：第二方向；

X3：第三方向；

X4：第四方向；

X5：第五方向；

+ΔR、-ΔR、+2ΔR、-2ΔR：电阻值变化量。

具体实施方式

图1A、图1B及图1C为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第四方向、第五方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。图2A为图1A的磁场感测装置沿着I-I线的剖面示意图，而图2B为图1A的磁场感测装置沿着II-II线的剖面示意图。请参照图1A、图1B、图1C、图2A与图2B，本实施例的磁场感测装置100包括多个第一磁电阻单元110及多个第二磁电阻单元120。这些第一磁电阻单元110配置于由第一方向X1、第二方向X2及第三方向X3所构成的三维空间中，其中这些第一磁电阻单元110的磁场感测轴R1(如图2A所示出)平行于第一方向X1与第三方向X3所构成的平面，且相对第一方向X1与第三方向X3倾斜。这些第二磁电阻单元120配置于三维空间中，其中这些第二磁电阻单元120的磁场感测轴R2(如图2B所示出)平行于第二方向X2与第三方向X3所构成的平面，且相对于第二方向X2与第三方向X3倾斜。

在本实施例中，这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120中的每一个包括至少一异向性磁电阻，举例而言，在图1A中，是以两个第一磁电阻单元110为例，而其中一个第一磁电阻单元110以包括异向性磁电阻A1与异向性磁电阻A2为例，而另一个第一磁电阻单元110以包括异向性磁电阻B1与异向性磁电阻B2为例。此外，在图1A中，是以两个第二磁电阻单元120为例，而其中一个第二磁电阻单元120以包括异向性磁电阻C1与异向性磁电阻C2为例，而另一个第二磁电阻单元120以包括异向性磁电阻D1与异向性磁电阻D2为例。

在本实施例中，磁场感测装置100还包括多个磁化方向设定元件130(例如磁化方向设定元件132、134、136及138)，分别配置于这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120旁，以分别设定这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的磁化方向。

图3A与图3B是用以说明图1A中的异向性磁电阻的运作原理。请先参照图3A，异向性磁电阻300具有理发店招牌(barber pole)状结构，也即其表面设有相对于异向性磁电阻300的延伸方向D倾斜45度延伸的多个短路棒(electrical shorting bar)310，这些短路棒310彼此相间隔且平行地设置于铁磁膜(ferromagnetic film)320上，而铁磁膜320为异向性磁电阻300的主体，其延伸方向即为异向性磁电阻300的延伸方向D。此外，铁磁膜320的相对两端可制作成尖端状。

异向性磁电阻300在开始量测外在磁场H之前，可先通过磁化方向设定元件130来设定其磁化方向，其中磁化方向设定元件130例如是可以通过通电产生磁场的线圈、导线、金属片或导体。在图3A中，磁化方向设定元件130可通过通电产生沿着延伸方向D的磁场，以使异向性磁电阻300具有磁化方向M。

接着，磁化方向设定元件130不通电，以使异向性磁电阻300开始量测外在磁场H。当没有外在磁场H时，异向性磁电阻300的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时施加电流i，使电流i从异向性磁电阻300的左端流往右端，则短路棒310附近的电流i的流向会与短路棒310的延伸方向垂直，而使得短路棒310附近的电流i流向与磁化方向M夹45度，此时异向性磁电阻300的电阻值为R。

当有一外在磁场H朝向垂直于延伸方向D的方向时，异向性磁电阻300的磁化方向M会往外在磁场H的方向偏转，而使得磁化方向与短路棒附近的电流i流向的夹角大于45度，此时异向性磁电阻300的电阻值有-ΔR的变化，即成为R-ΔR，也就是电阻值变小，其中ΔR大于0。

然而，若如图3B所示，当图2B的短路棒310的延伸方向设于与图2A的短路棒310的延伸方向夹90度的方向时(此时图2B的短路棒310的延伸方向仍与异向性磁电阻300的延伸方向D夹45度)，且当有一外在磁场H时，此外在磁场H仍会使磁化方向M往外在磁场H的方向偏转，此时磁化方向M与短路棒310附近的电流i流向的夹角会小于45度，如此异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR，也即异向性磁电阻300的电阻值变大。

此外，通过磁化方向设定元件130将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图3A所示的反向时，之后在外在磁场H下的图3A的异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR。再者，通过磁化方向设定元件130将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图3B所示的反向时，之后在外在磁场H下的图2B的异向性磁电阻300的电阻值会变成R-ΔR。

综合上述可知，当短路棒310的设置方向改变时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之，且当磁化方向设定元件130所设定的磁化方向M改变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。当外在磁场H的方向变为反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。然而，当通过异向性磁电阻300的电流i变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化则维持与原来相同正负号，即原本若为+ΔR，改变电流方向后仍为+ΔR，若原本为-ΔR，改变电流方向后仍为-ΔR。

依照上述的原则，便可通过设计短路棒310的延伸方向D或磁化方向设定元件130所设定的磁化方向M来决定当异向性磁电阻300受到外在磁场H的某一分量时，异向性磁电阻300的电阻值R的变化方向，即电阻值R变大或变小，例如变化量是+ΔR或-ΔR。

请再参照图1A至图1C、图2A及图2B，磁场感测装置100还包括基板150及配置于基板150上的绝缘层170。基板150例如为半导体基板、玻璃基板或电路基板。绝缘层170具有多个斜坡面S1、S2、S3及S4，其中这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120分别配置于这些斜坡面S1、S2、S3及S4上。举例而言，异向性磁电阻A1与A2配置于斜坡面S1上，异向性磁电阻B1与B2配置于斜坡面S2上，异向性磁电阻C1与C2配置于斜坡面S3上，且异向性磁电阻D1与D2配置于斜坡面S4上。在本实施例中，第一方向X1、第二方向X2及第三方向X3彼此互相垂直。此外，在本实施例中，这些第一磁电阻单元110的每一者的异向性磁电阻A1、A2、B1、B2沿着第二方向X2延伸，且这些第二磁电阻单元120的每一者的异向性磁电阻C1、C2、D1、D2沿着第一方向X1延伸。

在本实施例中，异向性磁电阻A1与A2的感测轴R1垂直于异向性磁电阻A1与A2的延伸方向，且平行于斜坡面S1。异向性磁电阻B1与B2的感测轴R1垂直于异向性磁电阻B1与B2的延伸方向，且平行于斜坡面S2。异向性磁电阻C1与C2的感测轴R2垂直于异向性磁电阻C1与C2的延伸方向，且平行于斜坡面S3。异向性磁电阻D1与D2的感测轴R2垂直于异向性磁电阻D1与D2的延伸方向，且平行于斜坡面S4。在本实施例中，异向性磁电阻A1与A2的短路棒310的延伸方向以45度相对于异向性磁电阻A1与A2的延伸方向倾斜，且平行于斜坡面S1。异向性磁电阻B1与B2的短路棒310的延伸方向以45度相对于异向性磁电阻B1与B2的延伸方向倾斜，且平行于斜坡面S2。异向性磁电阻C1与C2的短路棒310的延伸方向以45度相对于异向性磁电阻C1与C2的延伸方向倾斜，且平行于斜坡面S3。异向性磁电阻D1与D2的短路棒310的延伸方向以45度相对于异向性磁电阻D1与D2的延伸方向倾斜，且平行于斜坡面S4。此外，这些异向性磁电阻A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1及D2的短路棒310的倾斜方向的上视图如图1A所示出。

在本实施例中，部分的这些磁化方向设定元件130(例如磁化方向设定元件132与134)配置于这些第一磁电阻单元110与基板150之间，且另一部分的这些磁化方向设定元件130(例如磁化方向设定元件136与138)配置于这些第二磁电阻单元120与基板150之间，如图1A、图2A与图2B所示出。具体而言，在本实施例中，磁场感测装置100还包括绝缘层180，磁化方向设定元件130配置于基板150上，绝缘层180覆盖于磁化方向设定元件130上，绝缘层170配置于绝缘层180上，而第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120配置于绝缘层170上。

然而，在另一实施例中，这些第一磁电阻单元110配置于部分的这些磁化方向设定元件130(例如磁化方向设定元件132与134)与基板150之间，且这些第二磁电阻单元120配置于另一部分的这些磁化方向设定元件130(例如磁化方向设定元件136与138)与基板150之间，如图1A与图4所示出。具体而言，在本实施例中，绝缘层170a配置于基板150上，第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120配置于绝缘层170a上，绝缘层180a配置于绝缘层170a上，且覆盖第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120。此外，磁化方向设定元件130配置于绝缘层180a上。然而，在其他实施例中，磁化方向设定元件130的一部分可以配置于第一磁电阻单元110或第二磁电阻单元120的上方，而另一部分可以配置于第一磁电阻单元110或第二磁电阻单元120的下方。

在本实施例中，这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120在多个不同时间电性连接成多种不同的惠斯登电桥(例如图1A、图1B及图1C所分别示出的三种惠斯登电桥)，以分别量测三维空间中的多个方向上的多个磁场分量。

举例而言，上述多种不同的惠斯登电桥在三个不同时间分别量测第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的磁场分量H4、H5及H3(分别如图1A、图1B及图1C)，并输出分别对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的磁场分量H4、H5及H3的三个信号，其中第一方向X1、第二方向X2、第三方向X3、第四方向X4及第五方向X5彼此不同，第四方向X4为第一方向X1与第二方向X2的和向量方向，第五方向X5为第一方向X1与第二方向X2的差向量方向。在本实施例中，第一方向X1、第二方向X2及第三方向X3彼此互相垂直，并且第四方向X4垂直于第五方向X5，且第四方向X4与第一方向X1及第二方向X2均夹45度。

在本实施例中，在三个不同时间的任一个时，此多种不同的惠斯登电桥所输出的信号为对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的其中一个方向的磁场分量H4、H5或H3的差分信号，此时此多种不同的惠斯登电桥所产生的对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3中的其余方向的磁场分量的差分信号为零。

在本实施例中，这些第一磁电阻单元110中的每一个包括多个第一磁电阻(即异向性磁电阻)。举例而言，图1A中左边的那个第一磁电阻单元110包括异向性磁电阻A1与异向性磁电阻A2(即第一磁电阻)。图1A中右边的那个第一磁电阻单元110包括异向性磁电阻B1与异向性磁电阻B2(即第一磁电阻)。这些异向性磁电阻A1与A2中的一部分(例如异向性磁电阻A1)与另一部分(例如异向性磁电阻A2)分别被设定成具有相反的磁化方向，例如图1A中异向性磁电阻A1的磁化方向M1朝向第二方向X2的反方向，异向性磁电阻A2的磁化方向M2朝向第二方向X2。此外，这些异向性磁电阻B1与B2中的一部分(例如异向性磁电阻B1)与另一部分(例如异向性磁电阻B2)分别被设定成具有相反的磁化方向，例如图1A中异向性磁电阻B1的磁化方向M3朝向第二方向X2的反方向，异向性磁电阻B2的磁化方向M4朝向第二方向X2。

这些第二磁电阻单元120中的每一个包括多个第二磁电阻(即异向性磁电阻)。举例而言，图1A中上面的那个第二磁电阻单元120包括异向性磁电阻C1与异向性磁电阻C2(即第二磁电阻)。图1A中下面的那个第二磁电阻单元120包括异向性磁电阻D1与异向性磁电阻D2(即第二磁电阻)。这些异向性磁电阻C1与C2中的一部分(例如异向性磁电阻C1)与另一部分(例如异向性磁电阻C2)分别被设定成具有相反的磁化方向，例如图1A中异向性磁电阻C1的磁化方向M5朝向第一方向X1，异向性磁电阻C2的磁化方向M6朝向第一方向X1的反方向。此外，这些异向性磁电阻D1与D2中的一部分(例如异向性磁电阻D1)与另一部分(例如异向性磁电阻D2)分别被设定成具有相反的磁化方向，例如图1A中异向性磁电阻D1的磁化方向M7朝向第一方向X1，异向性磁电阻D2的磁化方向M8朝向第一方向X1的反方向。

在本实施例中，磁场感测装置100还包括切换电路160(switching circuit)(如图2A与图2B)，电性连接这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120，其中切换电路160在这些不同时间分别将这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120电性连接成多种不同的惠斯登电桥(例如图1A、图1B及图1C所分别示出的三种惠斯登电桥)。在本实施例中，这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120在这些不同时间通过切换电路160电性连接成多种不同的惠斯登全桥(Wheatstone full bridge)。在本实施例中，切换电路160例如是位于基板150上或基板150中的电路。

空间中的外在磁场可被视为是由第四方向X4的磁场分量H4、第五方向X5的磁场分量H5及第三方向X3的磁场分量X3所组成。磁场分量H4对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的作用如图1A所示出。具体而言，在无任何外在磁场时，异向性磁电阻A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1及D2的每一者的电阻值例如为R。在有磁场分量H4时，依据上述说明图3A与图3B的原则，会使异向性磁电阻A1与A2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量-2ΔR，也就是异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110的电阻值从原本的2R变成2R-2ΔR。此外，磁场分量H4会使异向性磁电阻B1与B2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量+2ΔR。

另一方面，磁场分量H4会使异向性磁电阻C1与C2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量-2ΔR。此外，磁场分量H4会使异向性磁电阻D1与D2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量+2ΔR。

磁场分量H5对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的作用如图1B所示出。具体而言，在有磁场分量H5时，依据上述说明图3A与图3B的原则，会使异向性磁电阻A1与A2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量+2ΔR，也就是异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110的电阻值从原本的2R变成2R+2ΔR。此外，磁场分量H5会使异向性磁电阻B1与B2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量-2ΔR。

另一方面，磁场分量H5会使异向性磁电阻C1与C2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量-2ΔR。此外，磁场分量H5会使异向性磁电阻D1与D2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量+2ΔR。

磁场分量H3对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的作用如图1C所示出。具体而言，在有磁场分量H3时，依据上述说明图3A与图3B的原则，会使异向性磁电阻A1与A2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量+2ΔR，也就是异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110的电阻值从原本的2R变成2R+2ΔR。此外，磁场分量H3会使异向性磁电阻B1与B2的电阻值变化量各为+ΔR，所以异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110会具有电阻值变化量+2ΔR。

另一方面，磁场分量H3会使异向性磁电阻C1与C2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量-2ΔR。此外，磁场分量H3会使异向性磁电阻D1与D2的电阻值变化量各为-ΔR，所以异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120会具有电阻值变化量-2ΔR。

在本实施例中，异向性磁电阻A1与A2依序串联于端点P1与端点P2之间，异向性磁电阻B1与B2依序串联于端点P3与端点P4之间，异向性磁电阻C1与C2依序串联于端点P5与端点P6之间，且异向性磁电阻D1与D2依序串联于端点P7与端点P8之间。

在三个不同时间的第一时间中，切换电路160将端点P1电性连接至端点P7，将端点P2电性连接至端点P4，将端点P3电性连接至端点P5，且将端点P6电性连接至端点P8，以形成如图1A的惠斯登电桥。此时，可对端点P6与端点P2施加电压差，例如使端点P6接收参考电压VDD，且使端点P2耦接至地(ground)，而端点P1与端点P3之间的电压差为(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第四方向X4上的磁场分量H4的大小。此时，如图1B的磁场分量H5对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及如图1C的磁场分量H3对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，在如图1A的这种惠斯登电桥的连接方式之下使端点P1与端点P3所输出的差分信号皆为零，因此可将图1A所示出的这种惠斯登电桥视为是用以量测磁场分量H4但不量测磁场分量H5与H3的电路。

在三个不同时间的第二时间中，切换电路160将端点P1电性连接至端点P5，将端点P2电性连接至端点P4，将端点P3电性连接至端点P7，且将端点P6电性连接至端点P8，以形成如图1B的惠斯登电桥。此时，可对端点P6与端点P2施加电压差，例如使端点P6接收参考电压VDD，且使端点P2耦接至地(ground)，而端点P1与端点P3之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于在第五方向X5上的磁场分量H5的大小。此时，如图1A的磁场分量H4对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及如图1C的磁场分量H3对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，在如图1B的这种惠斯登电桥的连接方式之下使端点P1与端点P3所输出的差分信号皆为零，因此可将图1B所示出的这种惠斯登电桥视为是用以量测磁场分量H5但不量测磁场分量H4与H3的电路。

在三个不同时间的第三时间中，切换电路160将端点P1电性连接至端点P5，将端点P2电性连接至端点P7，将端点P3电性连接至端点P8，且将端点P4电性连接至端点P6，以形成如图1C的惠斯登电桥。此时，可对端点P6与端点P2施加电压差，例如使端点P6接收参考电压VDD，且使端点P2耦接至地(ground)，而端点P1与端点P3之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第三方向X3上的磁场分量H3的大小。此时，如图1A的磁场分量H4对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及如图1B的磁场分量H5对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，在如图1C的这种惠斯登电桥的连接方式之下使端点P1与端点P3所输出的差分信号皆为零，因此可将图1C所示出的这种惠斯登电桥视为是用以量测磁场分量H3但不量测磁场分量H4与H5的电路。

通过第一时间、第二时间及第三时间的重复循环，磁场感测装置100便能够轮流量测第四方向X4的磁场分量H4、第五方向X5的磁场分量H5及第三方向X3的磁场分量H3，以达到即时(real time)量测外在磁场的效果。此外，也可通过旋转矩阵(rotational matrix)的运算将第四方向X4的磁场分量H4与第五方向X5的磁场分量H5转换成第一方向X1的磁场分量与第二方向X2的磁场分量，而通过第一方向X1的磁场分量、第二方向X2的磁场分量及第三方向X3的磁场分量H3也可运算出外在磁场。上述旋转矩阵的运算可以通过基板150上或中的运算电路或处理器来执行，也可以通过基板150以外的运算电路或处理器来执行。

图5A、图5B及图5C为本发明的另一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第四方向、第五方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。请参照图5A、图5B及图5C，本实施例的磁场感测装置100a类似于图1A至图1C的磁场感测装置100，而两者的差异如下所述。在本实施例的磁场感测装置100a中，这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120在多个不同时间电性连接成一种惠斯登电桥(例如图5A、图5B及图5C皆示出了同一种惠斯登全桥)但此一种惠斯登电桥所连接的这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120在这些不同的时间分别被切换至多种不同的磁化方向组合，以分别量测三维空间中的多个方向上的多个磁场分量。

在本实施例中，此一种惠斯登电桥在三个不同时间分别量测第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的磁场分量H4、H5及H3(分别如图5A、图5B及图5C)，并输出分别对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的磁场分量H4、H5及H3的三个信号。此外，在三个不同时间的任一个时，此一种惠斯登电桥所输出的信号为对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3的其中一个方向的磁场分量H4、H5或H3的差分信号，此时此一种惠斯登电桥所产生的对应于第四方向X4、第五方向X5及第三方向X3中的其余方向的磁场分量的差分信号为零。

在本实施例中，异向性磁电阻A1与A2串联于接点E1与接点E2之间，异向性磁电阻B1与B2串联于接点E3与接点E2之间，异向性磁电阻C1与C2串联于接点E4与接点E1之间，且异向性磁电阻D1与D2串联于接点D1与接点D2之间。

在三个不同时间的第一时间中，磁化方向设定元件132将异向性磁电阻A1的磁化方向M1'与异向性磁电阻B1的磁化方向M3'预先设定为朝向第二方向X2，磁化方向设定元件134将异向性磁电阻A2的磁化方向M2'与异向性磁电阻B2的磁化方向M4'预先设定为朝向第二方向X2的反方向，磁化方向设定元件136将异向性磁电阻C1的磁化方向M5与异向性磁电阻D1的磁化方向M7预先设定为朝向第一方向X1，且磁化方向设定元件138将异向性磁电阻C2的磁化方向M6与异向性磁电阻D2的磁化方向M8预先设定为朝向第一方向X1的反方向，如图5A所示出。

此时，磁场分量H4会使异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量+2ΔR，使异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量-2ΔR，使异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量-2ΔR，且使异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量+2ΔR。此时，可对接点E4与接点E2施加电压差，例如使接点E4接收参考电压VDD，且使接点E2耦接至地，而接点E1与接点E2之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第四方向X4上的磁场分量H4的大小。此时，在如图5A的这种磁化方向M1'、M2'、M3'、M4'、M5、M6、M7及M8的组合之下，磁场分量H5对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及磁场分量H3对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，对接点E1与接点E3所输出的差分信号的贡献皆为零，因此可将图5A所示出的这种磁化方向M1'、M2'、M3'、M4'、M5、M6、M7及M8的组合视为是用以量测磁场分量H4但不量测磁场分量H5与H3的组合。

在三个不同时间的第二时间中，磁化方向设定元件132将异向性磁电阻A1的磁化方向M1与异向性磁电阻B1的磁化方向M3预先设定为朝向第二方向X2的反方向，磁化方向设定元件134将异向性磁电阻A2的磁化方向M2与异向性磁电阻B2的磁化方向M4预先设定为朝向第二方向X2，磁化方向设定元件136将异向性磁电阻C1的磁化方向M5与异向性磁电阻D1的磁化方向M7预先设定为朝向第一方向X1，且磁化方向设定元件138将异向性磁电阻C2的磁化方向M6与异向性磁电阻D2的磁化方向M8预先设定为朝向第一方向X1的反方向，如图5B所示出。

此时，磁场分量H5会使异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量+2ΔR，使异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量-2ΔR，使异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量-2ΔR，且使异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量+2ΔR。此时，可对接点E4与接点E2施加电压差，例如使接点E4接收参考电压VDD，且使接点E2耦接至地，而接点E1与接点E2之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第五方向X5上的磁场分量H5的大小。此时，在如图5B的这种磁化方向M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7及M8的组合之下，磁场分量H4对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及磁场分量H3对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，对接点E1与接点E3所输出的差分信号的贡献皆为零，因此可将图5B所示出的这种磁化方向M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7及M8的组合视为是用以量测磁场分量H5但不量测磁场分量H4与H3的组合。

在三个不同时间的第三时间中，磁化方向设定元件132将异向性磁电阻A1的磁化方向M1预先设定为朝向第二方向X2的反方向，且将异向性磁电阻B1的磁化方向M3'预先设定为朝向第二方向X2，磁化方向设定元件134将异向性磁电阻A2的磁化方向M2预先设定为朝向第二方向X2，且将异向性磁电阻B2的磁化方向M4'预先设定为朝向第二方向X2的反方向，磁化方向设定元件136将异向性磁电阻C1的磁化方向M5预先设定为朝向第一方向X1，且将异向性磁电阻D1的磁化方向M7'预先设定为朝向第一方向X1的反方向，且磁化方向设定元件138将异向性磁电阻C2的磁化方向M6预先设定为朝向第一方向X1的反方向，且将异向性磁电阻D2的磁化方向M8'预先设定为朝向第一方向X1，如图5C所示出。

此时，磁场分量H3会使异向性磁电阻A1与A2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量+2ΔR，使异向性磁电阻B1与B2所构成的第一磁电阻单元110产生电阻值变化量-2ΔR，使异向性磁电阻C1与C2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量-2ΔR，且使异向性磁电阻D1与D2所构成的第二磁电阻单元120产生电阻值变化量+2ΔR。此时，可对接点E4与接点E2施加电压差，例如使接点E4接收参考电压VDD，且使接点E2耦接至地，而接点E1与接点E2之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第三方向X3上的磁场分量H3的大小。此时，在如图5C的这种磁化方向M1、M2、M3'、M4'、M5、M6、M7'及M8'的组合之下，磁场分量H4对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，以及磁场分量H5对这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120所造成的电阻值变化组合，对接点E1与接点E3所输出的差分信号的贡献皆为零，因此可将图5C所示出的这种磁化方向M1、M2、M3'、M4'、M5、M6、M7'及M8'的组合视为是用以量测磁场分量H3但不量测磁场分量H4与H5的组合。

通过第一时间、第二时间及第三时间的重复循环，磁场感测装置100a便能够轮流量测第四方向X4的磁场分量H4、第五方向X5的磁场分量H5及第三方向X3的磁场分量H3，以达到即时(real time)量测外在磁场的效果。此外，也可通过旋转矩阵(rotationalmatrix)的运算将第四方向X4的磁场分量H4与第五方向X5的磁场分量H5转换成第一方向X1的磁场分量与第二方向X2的磁场分量，而通过第一方向X1的磁场分量、第二方向X2的磁场分量及第三方向X3的磁场分量H3也可运算出外在磁场。

图6A、图6B及图6C为本发明的又一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第一方向、第二方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。请参照图6A、图6B及图6C，本实施例的磁场感测装置100b类似于图1A至图1C的磁场感测装置100，而两者的差异如下所述。在三个不同时间的第一时间，如图6A所示出，端点P5至P8都不连接，而使第二磁电阻单元120不输出信号，而端点P1电性连接至端点P3，端点P2接收参考电压VDD，而端点P4接地，以形成惠斯登半桥，而此时端点P1的电压可作为输出信号，其对应于第一方向X1的磁场分量H1。

在三个不同时间的第二时间，如图6B所示出，端点P1至端点P4不连接，而使第一磁电阻单元110不输出信号，而端点P5电性连接至端点P7，端点P6接收参考电压VDD，而端点P8接地，以形成惠斯登半桥，而此时端点P5的电压可作为输出信号，其对应于第二方向X2的磁场分量。

而在三个不同时间的第三时间，如图6C所示出，则如同图1C的连接方式，即将端点P1电性连接至端点P5，将端点P2电性连接至端点P7，将端点P3电性连接至端点P8，且将端点P4电性连接至端点P6，而使端点P6接收参考电压VDD，且使端点P2耦接至地(ground)，则端点P1与端点P3之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第三方向X3上的磁场分量H3的大小。

图7A、图7B及图7C为本发明的再一实施例的磁场感测装置的上视示意图，且分别示出了外在磁场在第一方向、第二方向及第三方向的磁场分量所造成的参数变化。请参照图7A、图7B及图7C，本实施例的磁场感测装置100c类似于图1A至图1C的磁场感测装置100，而两者的差异如下所述。在三个不同时间的第一时间，如图7A所示出，端点P5至P8都不连接，而使第二磁电阻单元120不输出信号，而端点P1电性连接至端点P3，端点P2电性连接至端点P4，以形成惠斯登全桥，磁化方向设定元件134使异向性磁电阻A2与B2的磁化方向M2'与M4'预先设定为朝向第二方向X2的反方向，且端点P1接收参考电压VDD，而端点P4接地，而此时异向性磁电阻A1与异向性磁电阻A2之间的端点P9与异向性磁电阻B1与异向性磁电阻B2之间的端点P10之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第一方向X1上的磁场分量H1的大小。

在三个不同时间的第二时间，如图7B所示出，端点P1至端点P4不连接，而使第一磁电阻单元110不输出信号，而端点P5电性连接至端点P7，端点P6电性连接至端点P8，以形成惠斯登全桥，磁化方向设定元件136使异向性磁电阻C1与D1的磁化方向M5'与M7'预先设定为朝向第一方向X1的反方向，且端点P5接收参考电压VDD，而端点P8接地，而此时异向性磁电阻C1与异向性磁电阻C2之间的端点P11与异向性磁电阻D1与异向性磁电阻D2之间的端点P12之间的电压差为(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第二方向X2上的磁场分量H2的大小。

而在三个不同时间的第三时间，如图7C所示出，则如同图1C的连接方式，即将端点P1电性连接至端点P5，将端点P2电性连接至端点P7，将端点P3电性连接至端点P8，且将端点P4电性连接至端点P6，而使端点P6接收参考电压VDD，且使端点P2耦接至地(ground)，且磁化方向的组合如同图1C，则端点P1与端点P3之间的电压差为(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为差分信号，其大小会对应于在第三方向X3上的磁场分量H3的大小。

综上所述，在本发明的实施例的磁场感测装置中，由于这些第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向与第三方向所构成的平面，且相对第一方向与第三方向倾斜，且这些第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向与第三方向所构成的平面，且相对于第二方向与第三方向倾斜，因此本发明的实施例的磁场感测装置能够具有简化的结构且同时能实现多维度的磁场量测，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点。此外，本发明的实施例的磁场感测装置在缩小装置体积时可以不牺牲装置的效能(例如反应速率(response speed))。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (15)

1.一种磁场感测装置，包括：

多个第一磁电阻单元，配置于由第一方向、第二方向及第三方向所构成的三维空间中，其中所述多个第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于所述第一方向与所述第三方向所构成的平面，且相对所述第一方向与所述第三方向倾斜；以及

多个第二磁电阻单元，配置于所述三维空间中，其中所述多个第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于所述第二方向与所述第三方向所构成的平面，且相对于所述第二方向与所述第三方向倾斜，

其中，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在多个不同时间电性连接成多种不同的惠斯登电桥，或电性连接成一种惠斯登电桥但所述一种惠斯登电桥所连接的所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在所述多个不同的时间分别被切换至多种不同的磁化方向组合，以分别量测所述三维空间中的多个方向上的多个磁场分量，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元中的每一个包括至少一异向性磁电阻，所述磁场感测装置还包括多个磁化方向设定元件，分别配置于所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元旁，以分别设定所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元的磁化方向。

2.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多种不同的惠斯登电桥或所述一种惠斯登电桥在三个不同时间分别量测第四方向、第五方向及第三方向的磁场分量，并输出分别对应于所述第四方向、所述第五方向及所述第三方向的磁场分量的三个信号，所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向、所述第四方向及所述第五方向彼此不同，所述第四方向为所述第一方向与所述第二方向的和向量方向，所述第五方向为所述第一方向与所述第二方向的差向量方向。

3.根据权利要求2所述的磁场感测装置，其中在所述三个不同时间的任一个时，所述多种不同的惠斯登电桥或所述一种惠斯登电桥所输出的信号为对应于所述第四方向、所述第五方向及所述第三方向的其中一个方向的磁场分量的差分信号，此时所述多种不同的惠斯登电桥或所述一种惠斯登电桥所产生的对应于所述第四方向、所述第五方向及所述第三方向中的其余方向的磁场分量的差分信号为零。

4.根据权利要求2所述的磁场感测装置，其中所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向彼此互相垂直，并且所述第四方向垂直于所述第五方向，且所述第四方向与所述第一方向及所述第二方向均夹45度。

5.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个第一磁电阻单元的每一者的异向性磁电阻沿着所述第二方向延伸，且所述多个第二磁电阻单元的每一者的异向性磁电阻沿着所述第一方向延伸。

6.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向彼此互相垂直。

7.根据权利要求1所述的磁场感测装置，还包括基板及配置于所述基板上的绝缘层，所述绝缘层具有多个斜坡面，其中所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元分别配置于所述多个斜坡面上。

8.根据权利要求7所述的磁场感测装置，还包括多个磁化方向设定元件，分别配置于所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元旁，以分别设定所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元的磁化方向，其中部分的所述多个磁化方向设定元件配置于所述多个第一磁电阻单元与所述基板之间，且另一部分的所述多个磁化方向设定元件配置于所述多个第二磁电阻单元与所述基板之间。

9.根据权利要求7所述的磁场感测装置，还包括多个磁化方向设定元件，分别配置于所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元旁，以分别设定所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元的磁化方向，其中所述多个第一磁电阻单元配置于部分的所述多个磁化方向设定元件与所述基板之间，且所述多个第二磁电阻单元配置于另一部分的所述多个磁化方向设定元件与所述基板之间。

10.根据权利要求7所述的磁场感测装置，其中所述基板为半导体基板、玻璃基板或电路基板。

11.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个第一磁电阻单元中的每一个包括多个第一磁电阻，所述多个第一磁电阻中的一部分与另一部分分别被设定成具有相反的磁化方向，以及所述多个第二磁电阻单元中的每一个包括多个第二磁电阻，所述多个第二磁电阻中的一部分与另一部分分别被设定成具有相反的磁化方向。

12.根据权利要求1所述的磁场感测装置，还包括切换电路，电性连接所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元，其中所述切换电路在所述多个不同时间分别将所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元电性连接成所述多种不同的惠斯登电桥。

13.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在所述多个不同时间电性连接成多种不同的惠斯登全桥。

14.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在所述多个不同时间电性连接成一种惠斯登全桥，但所述一种惠斯登全桥所连接的所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在所述多个不同的时间分别被切换至所述多种不同的磁化方向组合。

15.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个第一磁电阻单元在三个不同时间中的第一时间电性连接成惠斯登全桥或惠斯登半桥，以感测所述第一方向上的磁场分量，所述多个第二磁电阻单元在所述三个不同时间中的第二时间电性连接成惠斯登全桥或惠斯登半桥，以感测所述第二方向上的磁场分量，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元在所述三个不同时间中的第三时间电性连接成惠斯登全桥，以感测所述第三方向上的磁场分量。

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