CN110837067B - 磁场感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场感测装置，包括磁通集中模块及多个漩涡型磁电阻。磁通集中模块具有第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，其中第一侧边平行于第三侧边，第二侧边平行于第四侧边，且第一侧边不平行于第二侧边。这些漩涡型磁电阻配置于第一至第四侧边旁，其中这些漩涡型磁电阻具有相同的钉扎方向，钉扎方向相对于第一侧边倾斜，且相对于第二侧边倾斜。这些漩涡型磁电阻用以连接成多个不同的惠斯登电桥，以分别感测多个不同方向的磁场分量。

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

磁场传感器是一个能够为系统提供电子罗盘及运动追迹(motion tracking)的重要元件。近年来，相关的应用快速地发展，特别是对于可携式装置而言。在新一世代的应用中，高准确率、快速反应、小体积、低功耗及可靠的品质已成为磁场传感器的重要特征。

在传统的巨磁电阻或穿隧磁电阻传感器中，具有钉扎层(pinning layer)、受钉扎层(pinned layer)、间隔层(spacer layer)及自由层(free layer)依序堆叠的结构，其中自由层具有一易磁化轴(magnetic easy-axis)，其垂直于钉扎层的钉扎方向。若欲建构一个单轴的具有惠斯登电桥(Wheatstone bridge)的磁传感器，多个具有不同的钉扎方向的磁电阻是重要的。对于3轴的磁传感器而言，则需要多个分别具有6个钉扎方向的磁电阻。然而，就制造的观点来看，在一个晶圆中于钉扎层中制作第二种钉扎方向会造成可观的成本增加，且会降低了受钉扎层中的磁化方向配置的稳定性。

发明内容

本发明提供一种磁场感测装置，其可利用具有单一钉扎方向的多个漩涡型磁电阻来达到多个不同方向的磁场分量的感测。

本发明的一实施例提出一种磁场感测装置，包括磁通集中模块(magnetic fluxconcentrating module)及多个漩涡型磁电阻(vortex magnetoresistor)。磁通集中模块具有第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，其中第一侧边平行于第三侧边，第二侧边平行于第四侧边，且第一侧边不平行于第二侧边。这些漩涡型磁电阻配置于第一至第四侧边旁，其中这些漩涡型磁电阻具有相同的钉扎方向，钉扎方向相对于第一侧边倾斜，且相对于第二侧边倾斜。这些漩涡型磁电阻用以连接成多个不同的惠斯登电桥，以分别感测多个不同方向的磁场分量。

在本发明的一实施例中，钉扎方向与第一侧边的夹角落在10度至80度的范围内，且钉扎方向与第二侧边的夹角落在10度至80度的范围内。

在本发明的一实施例中，钉扎方向平行于第一侧边与第二侧边所建构出的平面。

在本发明的一实施例中，第一侧边垂直于第二侧边。

在本发明的一实施例中，这些漩涡型磁电阻包括第一漩涡型磁电阻、第二漩涡型磁电阻、第三漩涡型磁电阻、第四漩涡型磁电阻、第五漩涡型磁电阻、第六漩涡型磁电阻、第七漩涡型磁电阻及第八漩涡型磁电阻。第一漩涡型磁电阻与第二漩涡型磁电阻分别配置于第一侧边的相对两端旁，第三漩涡型磁电阻与第四漩涡型磁电阻分别配置于第三侧边的相对两端旁，第五漩涡型磁电阻与第六漩涡型磁电阻分别配置于第二侧边的相对两端旁，且第七漩涡型磁电阻与第八漩涡型磁电阻分别配置于第四侧边的相对两端旁。

在本发明的一实施例中，磁场感测装置还包括切换电路，电性连接至这些漩涡型磁电阻。切换电路适于在三个不同的时间分别将这些漩涡型磁电阻的连接状态切换至三个不同的惠斯登电桥，以分别感测三个不同方向的磁场分量。

在本发明的一实施例中，磁场感测装置还包括第九漩涡型磁电阻、第十漩涡型磁电阻、第十一漩涡型磁电阻及第十二漩涡型磁电阻。第九漩涡型磁电阻与第十漩涡型磁电阻配置于第一侧边的中段旁，且第十一漩涡型磁电阻与第十二漩涡型磁电阻配置于第三侧边的中段旁。第一、第二、第三及第四漩涡型磁电阻连接成第一惠斯登电桥，以感测平行于第一侧边的方向上的磁场分量，第五、第六、第七及第八漩涡型磁电阻连接成第二惠斯登电桥，以感测平行于第二侧边的方向上的磁场分量，且第九、第十、第十一及第十二漩涡型磁电阻连接成第三惠斯登电桥，以感测垂直于第一侧边与第二侧边所构成的平面的方向上的磁场分量。

在本发明的一实施例中，磁场感测装置还包括第九漩涡型磁电阻、第十漩涡型磁电阻、第十一漩涡型磁电阻及第十二漩涡型磁电阻。第九漩涡型磁电阻配置于第一侧边的中段旁，第十漩涡型磁电阻与第十一漩涡型磁电阻配置于磁通集中模块下方，且第十二漩涡型磁电阻配置于第三侧边的中段旁。第一、第二、第三及第四漩涡型磁电阻连接成第一惠斯登电桥，以感测平行于第一侧边的方向上的磁场分量，第五、第六、第七及第八漩涡型磁电阻连接成第二惠斯登电桥，以感测平行于第二侧边的方向上的磁场分量，且第九、第十、第十一及第十二漩涡型磁电阻连接成第三惠斯登电桥，以感测垂直于第一侧边与第二侧边所构成的平面的方向上的磁场分量。

在本发明的一实施例中，磁通集中模块包括一个磁通集中器，且第一、第二、第三及第四侧边为磁通集中器的四个侧边。

在本发明的一实施例中，磁通集中模块包括各自独立的第一磁通集中器与第二磁通集中器，第一侧边与第三侧边为第一磁通集中器的相对两侧边，且第二侧边与第四侧边为第二磁通集中器的相对两侧边。

在本发明的一实施例中，磁场感测装置还包括基板，其中磁通集中模块与这些漩涡型磁电阻均配置于基板上。

在本发明的一实施例中，每一漩涡型磁电阻包括钉扎层、受钉扎层、间隔层及圆形自由层。钉扎层配置于基板上，受钉扎层配置于钉扎层上，且间隔层配置于受钉扎层上。圆形自由层配置于间隔层上，且具有漩涡形磁化方向分布，其中间隔层为非磁性金属层，而漩涡型磁电阻为巨磁电阻。

在本发明的一实施例中，每一漩涡型磁电阻包括钉扎层、受钉扎层、间隔层及圆形自由层。钉扎层配置于基板上，受钉扎层配置于钉扎层上，且间隔层配置于受钉扎层上。圆形自由层配置于间隔层上，且具有漩涡形磁化方向分布，其中间隔层为绝缘层，而漩涡型磁电阻为穿隧磁电阻。

在本发明的实施例的磁场感测装置中，由于采用了磁通集中模块来改变磁场的方向，且使得漩涡型磁电阻的钉扎方向相对于磁通集中模块的侧边倾斜，因此可以通过采用单一钉扎方向的多个漩涡型磁电阻来达到多个不同方向的磁场分量的感测。如此一来，可使得本发明的实施例的磁场感测装置具有较简单且稳定的制程、较低的制造成本，可使其中的漩涡型磁电阻的磁化状态较为稳定。

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为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图；

图1B为图1A的磁场感测装置沿着A-A线的剖面示意图；

图2为图1A中的漩涡型磁电阻的立体示意图；

图3是图1A中的漩涡型磁电阻的上视示意图；

图4A至图4D分别示出图2中的圆形自由层受到四个不同方向的外在磁场所产生的四种磁化方向分布的变化；

图5示出图3中的漩涡型磁电阻于不同方向的外来磁场的作用下及没有外来磁场的情况下电阻值的变化；

图6A、图6B及图6C分别示出当有一沿着第一方向的外在磁场通过磁通集中模块附近时此外在磁场的磁力线在三个不同视角的偏转状况；

图7A、图7B及图7C分别示出当有一沿着第二方向的外在磁场通过磁通集中模块附近时此外在磁场的磁力线在三个不同视角的偏转状况；

图8A、图8B及图8C分别示出当有一沿着第三方向的反方向的外在磁场通过磁通集中模块附近时此外在磁场的磁力线在三个不同视角的偏转状况；

图9A示出当有一沿着第一方向的外在磁场通过图1A的磁场感测装置时于各漩涡型磁电阻处的磁场分量的方向及其对各漩涡型磁电阻所产生的电阻值变化；

图9B示出当有一沿着第二方向的外在磁场通过图1A的磁场感测装置时于各漩涡型磁电阻处的磁场分量的方向及其对各漩涡型磁电阻所产生的电阻值变化；

图9C示出当有一沿着第三方向的反方向的外在磁场通过图1A的磁场感测装置时于各漩涡型磁电阻处的磁场分量的方向及其对各漩涡型磁电阻所产生的电阻值变化；

图10A、图10B及图10C示出图1A的磁场感测装置于三个不同的时间所形成的三个不同的惠斯登电桥；

图10D与图10E示出了图10C的第三个惠斯登电桥的其他两种变型；

图11为本发明的另一实施例的磁场感测装置的上视示意图；

图12为本发明的又一实施例的磁场感测装置的上视示意图；

图13为本发明的再一实施例的磁场感测装置的上视示意图。

附图标记说明

100、100a、100b、100c：磁场感测装置

110、110a：磁通集中模块

112：顶面

114：底面

116：侧面

120：切换电路

130：基板

200、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12：漩涡型磁电阻

210：钉扎层

220：受钉扎层

230：间隔层

240：圆形自由层

D1：第一方向

D2：第二方向

D3：第三方向

E1：第一侧边

E2：第二侧边

E3：第三侧边

E4：第四侧边

FL：磁力线

H：外在磁场

H’、-H’：磁场分量

ML：磁化方向

P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12：接点

Q1：钉扎方向

R：电阻值

+ΔR、-ΔR：电阻值变化量

VC：漩涡中心

θ1、θ2：夹角

具体实施方式

图1A为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图，而图1B为图1A的磁场感测装置沿着A-A线的剖面示意图。请参照图1A与图1B，本实施例的磁场感测装置100包括一磁通集中模块110及多个漩涡型磁电阻200。磁通集中模块110具有一第一侧边E1、一第二侧边E2、一第三侧边E3及一第四侧边E4，其中第一侧边E1平行于第三侧边E3，第二侧边E2平行于第四侧边E4，且第一侧边E1不平行于第二侧边E2。在本实施例中，第一侧边E1垂直于第二侧边E2。此外，在本实施例中，磁通集中模块110为单一个磁通集中器(magnetic fluxconcentrator)，且第一、第二、第三及第四侧边E1、E2、E3及E4为此磁通集中器的四个侧边。然而，在其他实施例中，磁通集中模块110亦可以包括多个磁通集中器。

在本实施例中，磁通集中器的外形呈一多面体，例如是正方体或四角柱，其中四角柱可以有部分表面呈矩形且另一部分表面呈正四形，或者四角柱的所有表面都呈矩形。在本实施例中，磁通集中模块110具有一顶面112、与顶面112相对的一底面114及连接顶面112与底面114的四个侧面116，其中第一、第二、第三及第四侧边E1、E2、E3及E4分别为此四个侧面116与底面114相接的四个边。在本实施例中，磁场感测装置100所处的空间可以由一第一方向D1、一第二方向D2及一第三方向D3所建构，其中第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3可彼此互相垂直。在本实施例中，第一方向D1平行于第一侧边E1与第三侧边E3，第二方向D2平行于第二侧边E2与第四侧边E4，且第三方向D3垂直于底面114与顶面112，也就是垂直于一平面，而第一、第二、第三及第四侧边E1、E2、E3及E4落在此平面中。

在本实施例中，磁通集中器的材料包括导磁率大于10的铁磁材料。此外，磁通集中器的残磁例如小于其饱和磁化量的10％。举例而言，磁通集中器为软磁材料，例如为镍铁合金、钴铁或钴铁硼合金、铁氧磁体或其他高导磁率材料。这些漩涡型磁电阻200配置于第一至第四侧边E1、E2、E3及E4旁，其中这些漩涡型磁电阻200具有相同的钉扎方向Q1，钉扎方向Q1相对于第一侧边E1倾斜，且相对于第二侧边E2倾斜。这些漩涡型磁电阻200用以连接成多个不同的惠斯登电桥，以分别感测多个不同方向的磁场分量。

图2为图1A中的漩涡型磁电阻的立体示意图，图3是图1A中的漩涡型磁电阻的上视示意图，图4A至图4D分别示出图2中的圆形自由层受到四个不同方向的外在磁场所产生的四种磁化方向分布的变化，而图5示出图3中的漩涡型磁电阻于不同方向的外来磁场的作用下及没有外来磁场的情况下电阻值的变化。

在本实施例中，漩涡型磁电阻200包括一钉扎层(pinning layer)210、一受钉扎层(pinned layer)220、一间隔层(spacer layer)230及一圆形自由层(round free layer)240。受钉扎层220配置于钉扎层210上，间隔层230配置于受钉扎层220上，而圆形自由层240配置于间隔层230上。在本实施例中，钉扎层210提供一钉扎方向(pinning direction)P1，其使受钉扎层220的磁化方向固定于钉扎方向Q1上。在本实施例中，钉扎层210的材料是反铁磁性材料(antiferromagnetic material)，受钉扎层220与圆形自由层240的材料是铁磁性材料(ferromagnetic material)，其中圆形自由层240的材料是软磁性材料(softmagnetic material)。

在本实施例中，钉扎方向Q1相对于第一方向D1倾斜，相对于第二方向D2倾斜，且平行于第一方向D1与第二方向D2所建构的平面。也就是说，钉扎方向Q1平行于第一侧边E1与第二侧边E2所建构出的平面。在本实施例中，钉扎方向Q1与第一侧边E1的夹角θ1落在10度至80度的范围内，且钉扎方向Q1与第二侧边E2的夹角θ2落在10度至80度的范围内。在图1A中，是以θ1＝θ2＝45度为例。此外，在本实施例中，钉扎层210、受钉扎层220、间隔层230及圆形自由层240等各膜层皆平行于第一方向D1与第二方向D2所建构的平面。

圆形自由层240具有漩涡形磁化方向分布。具体而言，当不存在外在磁场时，圆形自由层240的磁化方向ML沿着圆形自由层240的圆形轮廓排列成多个圆形，这些圆形的直径逐渐缩小而终至收敛于圆形轮廓的中心。磁化方向ML的排列可以是顺时针方向的，也可以是逆时针方向的。在圆形自由层240的中心会形成一漩涡中心(vortex core)VC，且在漩涡中心VC处的磁化方向是垂直于圆形自由层240的方向，其可朝上(即朝向图2与图3中的第三方向D3)或朝下(即朝向与第三方向D3相反的方向)。此时，整个圆形自由层240的静磁化量(net magnetization)为零。

在本实施例中，漩涡型磁电阻200可以是巨磁电阻(giant magnetoresistor,GMR)或穿隧磁电阻(tunneling magnetoresistor,TMR)。当漩涡型磁电阻200为巨磁电阻时，其间隔层230为一非磁性金属层；而当漩涡型磁电阻200为穿隧磁电阻时，其间隔层230为一绝缘层。

在本实施例中，磁场感测装置100还包括一基板130，其中磁通集中模块110与漩涡型磁电阻200均配置于基板130上。在本实施例中，钉扎层210配置于基板130上。此外，在本实施例中，基板130为一线路基板，例如为具有电路的半导体基板。

请参照图4A，当有一沿着第一方向D1的外在磁场H经过漩涡型磁电阻200时，在漩涡中心VC的朝向第二方向D2的一侧的面积会变大，在漩涡中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一侧的面积会变小，且这两侧面积中的磁化方向相反，导致整个圆形自由层240产生一个朝向第一方向D1的静磁化量，且漩涡中心VC往第二方向D2的反方向移动。

请参照图4B，当有一沿着第一方向D1的反方向的外在磁场H经过漩涡型磁电阻200时，在漩涡中心VC的朝向第二方向D2的一侧的面积会变小，在漩涡中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一侧的面积会变大，且这两侧面积中的磁化方向相反，导致整个圆形自由层240产生一个朝向第一方向D1的反方向的静磁化量，且漩涡中心VC往第二方向D2移动。

请参照图4C，当有一沿着第二方向D2的外在磁场H经过漩涡型磁电阻200时，在漩涡中心VC的朝向第一方向D1的一侧的面积会变小，在漩涡中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一侧的面积会变大，且这两侧面积中的磁化方向相反，导致整个圆形自由层240产生一个朝向第二方向D2的静磁化量，且漩涡中心VC往第一方向D1移动。

请参照图4D，当有一沿着第二方向D2的反方向的外在磁场H经过漩涡型磁电阻200时，在漩涡中心VC的朝向第一方向D1的一侧的面积会变大，在漩涡中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一侧的面积会变小，且这两侧面积中的磁化方向相反，导致整个圆形自由层240产生一个朝向第二方向D2的反方向的静磁化量，且漩涡中心VC往第一方向D1的反方向移动。

图5示出图3中的漩涡型磁电阻于不同方向的外来磁场的作用下及没有外来磁场的情况下电阻值的变化。请参照图2、图4A至图4D及图5，图5中的曲线图表现了漩涡型磁电阻200的电阻值R相对于外在磁场H的变化。如图5的左上图所示，当漩涡型磁电阻200被施加一与钉扎方向Q1同向的外在磁场H时，如图4C所示出圆形自由层240在钉扎方向Q1上会产生一个净磁化量，而使得电阻值R下降，即曲线图中黑圆点所对应的电阻值R的数值。如图5的左下图所示，当漩涡型磁电阻200被施加一与钉扎方向Q1相反方向的外在磁场H时，如图4D所示出圆形自由层240在钉扎方向Q1的反方向上会产生一个净磁化量，而使得电阻值R上升，即曲线图中黑圆点所对应的电阻值R的数值。如图5的右上图所示，当漩涡型磁电阻200被施加一与钉扎方向Q1垂直的外在磁场H时，如图4A或图4B所示出圆形自由层240在垂直于钉扎方向Q1的方向上产生一个净磁化量，此净磁化量在钉扎方向Q1上的正投影量为零，而使得电阻值R维持不变，即曲线图中黑圆点所对应的电阻值R的数值。另外，如图5的右下图所示，当漩涡型磁电阻200没有被施加磁场时，其电阻值R维持不变，即曲线图中黑圆点所对应的电阻值R的数值。

另外，在图4A、图4B、图4C及图4D的状态中，圆形自由层240的净磁化量的方向均相对于钉扎方向Q1倾斜，此时电阻值R的变化是以圆形自由层240的净磁化量在钉扎方向Q1上的正投影来决定。因此，在图4A、图4B、图4C及图4D的状态中会分别产生电阻值R下降、电阻值R上升、电阻值R下降及电阻值R上升的情况，也就是分别产生了-ΔR、+ΔR、-ΔR及+ΔR的电阻值变化量。

图6A、图6B及图6C分别示出当有一沿着第一方向D1的外在磁场通过磁通集中模块110附近时此外在磁场的磁力线(magnetic flux line)FL在三个不同视角的偏转状况。图7A、图7B及图7C分别示出当有一沿着第二方向D2的外在磁场通过磁通集中模块110附近时此外在磁场的磁力线FL在三个不同视角的偏转状况。图8A、图8B及图8C分别示出当有一沿着第三方向D3的反方向的外在磁场通过磁通集中模块110附近时此外在磁场的磁力线FL在三个不同视角的偏转状况。由图6A至图8C可知，磁通集中模块110的导磁率相对于其周遭环境的导磁率较高，因此磁通集中模块110对于其周遭的磁力线FL具有吸引的效果，而使得周遭的磁力线FL的方向倾向于垂直于磁通集中模块110的表面。在图1B中亦示出了当磁场感测装置100存在于沿着第三方向D3的反方向的磁场H时，其磁力线FL在磁通集中模块110及漩涡型磁电阻200附近的分布情形。

请再参照图1A，在本实施例中，这些漩涡型磁电阻200包括一漩涡型磁电阻R1、一漩涡型磁电阻R2、一漩涡型磁电阻R3、一漩涡型磁电阻R4、一漩涡型磁电阻R5、一漩涡型磁电阻R6、一漩涡型磁电阻R7及一漩涡型磁电阻R8。漩涡型磁电阻R1与漩涡型磁电阻R2分别配置于第一侧边E1的相对两端旁，漩涡型磁电阻R3与漩涡型磁电阻R4分别配置于第三侧边E3的相对两端旁，漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R6分别配置于第二侧边E2的相对两端旁，而漩涡型磁电阻R7与漩涡型磁电阻R8分别配置于第四侧边E4的相对两端旁。

图9A示出当有一沿着第一方向D1的外在磁场通过图1A的磁场感测装置100时于各漩涡型磁电阻R1-R8处的磁场分量(H’或-H’)的方向及其对各漩涡型磁电阻R1-R8所产生的电阻值变化(+ΔR或-ΔR)。图9B示出当有一沿着第二方向D2的外在磁场通过图1A的磁场感测装置100时于各漩涡型磁电阻R1-R8处的磁场分量H’的方向及其对各漩涡型磁电阻R1-R8所产生的电阻值变化(+ΔR或-ΔR)。图9C示出当有一沿着第三方向D3的反方向的外在磁场通过图1A的磁场感测装置100时于各漩涡型磁电阻R1-R8处的磁场分量H’的方向及其对各漩涡型磁电阻R1-R8所产生的电阻值变化(+ΔR或-ΔR)。请先参照图9A，当有一沿着第一方向D1的外在磁场存在时，受到磁通集中模块110的影响后，漩涡型磁电阻R1处的磁场分量-H’朝向第二方向的反方向，漩涡型磁电阻R2处的磁场分量H’朝向第二方向，漩涡型磁电阻R3处的磁场分量H’朝向第二方向D2，漩涡型磁电阻R4处的磁场分量-H’朝向第二方向D2的反方向，而漩涡型磁电阻R5、R6、R7及R8处的磁场分量H’均朝向第一方向，如此会使得漩涡型磁电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的电阻值变化分别为+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、-ΔR及-ΔR。同理可知，请参照图9B，当有一沿着第二方向D2的外在磁场存在时，漩涡型磁电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的电阻值变化会分别为-ΔR、-ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR及+ΔR。此外，当有一沿着第三方向D3的反方向的外在磁场存在时，漩涡型磁电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的电阻值变化会分别为-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR。

图10A、图10B及图10C示出图1A的磁场感测装置于三个不同的时间所形成的三个不同的惠斯登电桥，其中此三个不同的惠斯登电桥用以分别感测三个不同方向的磁场分量。请参照图1A、图1B、图10A、图10B及图10C，磁场感测装置100还包括一切换电路120，电性连接至这些漩涡型磁电阻200。切换电路120适于在三个不同的时间分别将这些漩涡型磁电阻200的连接状态切换至三个不同的惠斯登电桥，以分别感测三个不同方向(如第三方向D3的反方向、第一方向D1及第二方向D2)的磁场分量。具体而言，请参照图10A，在三个不同的时间的一第一时间中，漩涡型磁电阻R1电性连接至漩涡型磁电阻R2，漩涡型磁电阻R2电性连接至漩涡型磁电阻R4，漩涡型磁电阻R4电性连接至漩涡型磁电阻R3，且漩涡型磁电阻R3电性连接至漩涡型磁电阻R1，接点P1电性连接至漩涡型磁电阻R1与漩涡型磁电阻R2之间的导电路径，接点P2电性连接至漩涡型磁电阻R3与漩涡型磁电阻R4之间的导电路径，接点P3电性连接至漩涡型磁电阻R1与漩涡型磁电阻R3之间的导电路径，且接点P4电性连接至漩涡型磁电阻R2与漩涡型磁电阻R4之间的导电路径，如此便可以形成第一个惠斯登电桥。此时，接点P1可接收参考电压VDD，而接点P2可耦接至地(ground)，此时对于外在磁场在第一方向D1上的磁场分量而言，各漩涡型磁电阻200会形成如图9A与图10A的电阻值变化，而使得接点P3与接点P4之间的电压差会是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第一方向D1上的磁场分量的大小。此时，外在磁场在第二方向D2上的磁场分量及在第三方向D3的反方向上的磁场分量会分别使各漩涡型磁电阻200形成如图9B与图9C的电阻值变化，而图9B与图9C的这种电阻值变化对于第一个惠斯登电桥的接点P3与接点P4之间的电压差的贡献会是零。因此，第一个惠斯登电桥可专门用于量测第一方向D1上的磁场分量，且不受第二方向D2及第三方向D3上的磁场分量的干扰。

请再参照图10B，在三个不同的时间的一第二时间中，漩涡型磁电阻R5电性连接至漩涡型磁电阻R7，漩涡型磁电阻R7电性连接至漩涡型磁电阻R8，漩涡型磁电阻R8电性连接至漩涡型磁电阻R6，且漩涡型磁电阻R6电性连接至漩涡型磁电阻R5，接点P5电性连接至漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R7之间的导电路径，接点P6电性连接至漩涡型磁电阻R6与漩涡型磁电阻R8之间的导电路径，接点P7电性连接至漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R6之间的导电路径，且接点P8电性连接至漩涡型磁电阻R7与漩涡型磁电阻R8之间的导电路径，如此便可以形成第二个惠斯登电桥。此时，接点P5可接收参考电压VDD，而接点P6可耦接至地(ground)，此时对于外在磁场在第二方向D2上的磁场分量而言，各漩涡型磁电阻200会形成如图9B与图10B的电阻值变化，而使得接点P7与接点P8之间的电压差会是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第二方向D2上的磁场分量的大小。此时，外在磁场在第一方向D1上的磁场分量及在第三方向D3的反方向上的磁场分量会分别使各漩涡型磁电阻200形成如图9A与图9C的电阻值变化，而图9A与图9C的这种电阻值变化对于第二个惠斯登电桥的接点P7与接点P8之间的电压差的贡献会是零。因此，第二个惠斯登电桥可专门用于量测第二方向D2上的磁场分量，且不受第一方向D1及第三方向D3上的磁场分量的干扰。

请再参照图10C，在三个不同的时间的一第三时间中，漩涡型磁电阻R1电性连接至漩涡型磁电阻R4，漩涡型磁电阻R4电性连接至漩涡型磁电阻R2，漩涡型磁电阻R2电性连接至漩涡型磁电阻R3，且漩涡型磁电阻R3电性连接至漩涡型磁电阻R1，接点P9电性连接至漩涡型磁电阻R1与漩涡型磁电阻R4之间的导电路径，接点P10电性连接至漩涡型磁电阻R2与漩涡型磁电阻R3之间的导电路径，接点P11电性连接至漩涡型磁电阻R1与漩涡型磁电阻R3之间的导电路径，且接点P12电性连接至漩涡型磁电阻R2与漩涡型磁电阻R4之间的导电路径，如此便可以形成第三个惠斯登电桥。此时，接点P9可接收参考电压VDD，而接点P10可耦接至地(ground)，此时对于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量而言，各漩涡型磁电阻200会形成如图9C与图10C的电阻值变化，而使得接点P11与接点P12之间的电压差会是(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量的大小。此时，外在磁场在第一方向D1上的磁场分量及在第二方向D3上的磁场分量会分别使各漩涡型磁电阻200形成如图9A与图9B的电阻值变化，而图9A与图9B的这种电阻值变化对于第三个惠斯登电桥的接点P11与接点P12之间的电压差的贡献会是零。因此，第三个惠斯登电桥可专门用于量测第三方向D3的反方向上的磁场分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁场分量的干扰。

如此一来，当第一时间、第二时间及第三时间轮流不断地出现，也就是切换电路120轮流不断地将这些漩涡型磁电阻200切换至第一、第二及第三个惠斯登电桥时，磁场感测装置100便能够即时感测在三维空间中的任意方向的外在磁场的大小与方向。

图10D与图10E示出了图10C的第三个惠斯登电桥的其他两种变型。请先参照图10D，在三个不同的时间的第三时间中，漩涡型磁电阻R5电性连接至漩涡型磁电阻R7，漩涡型磁电阻R7电性连接至漩涡型磁电阻R6，漩涡型磁电阻R6电性连接至漩涡型磁电阻R8，且漩涡型磁电阻R8电性连接至漩涡型磁电阻R5，接点P9电性连接至漩涡型磁电阻R6与漩涡型磁电阻R7之间的导电路径，接点P10电性连接至漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R8之间的导电路径，接点P11电性连接至漩涡型磁电阻R6与漩涡型磁电阻R8之间的导电路径，且接点P12电性连接至漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R7之间的导电路径，如此便可以形成第三个惠斯登电桥。此时，接点P9可接收参考电压VDD，而接点P10可耦接至地(ground)，此时对于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量而言，各漩涡型磁电阻200会形成如图9C与图10D的电阻值变化，而使得接点P11与接点P12之间的电压差会是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量的大小。此时，外在磁场在第一方向D1上的磁场分量及在第二方向D3上的磁场分量会分别使各漩涡型磁电阻200形成如图9A与图9B的电阻值变化，而图9A与图9B的这种电阻值变化对于此第三个惠斯登电桥的接点P11与接点P12之间的电压差的贡献会是零。因此，第三个惠斯登电桥可专门用于量测第三方向D3的反方向上的磁场分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁场分量的干扰。

请先参照图10E，在三个不同的时间的第三时间中，漩涡型磁电阻R1电性连接至漩涡型磁电阻R2，漩涡型磁电阻R2电性连接至漩涡型磁电阻R3，漩涡型磁电阻R3电性连接至漩涡型磁电阻R4，且漩涡型磁电阻R4电性连接至漩涡型磁电阻R8，漩涡型磁电阻R8电性连接至漩涡型磁电阻R7，漩涡型磁电阻R7电性连接至漩涡型磁电阻R6，漩涡型磁电阻R6电性连接至漩涡型磁电阻R5，且漩涡型磁电阻R5电性连接至漩涡型磁电阻R1，接点P9电性连接至漩涡型磁电阻R6与漩涡型磁电阻R7之间的导电路径，接点P10电性连接至漩涡型磁电阻R2与漩涡型磁电阻R3之间的导电路径，接点P11电性连接至漩涡型磁电阻R4与漩涡型磁电阻R8之间的导电路径，且接点P12电性连接至漩涡型磁电阻R5与漩涡型磁电阻R1之间的导电路径，如此便可以形成第三个惠斯登电桥。此时，接点P9可接收参考电压VDD，而接点P10可耦接至地(ground)，此时对于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量而言，各漩涡型磁电阻200会形成如图9C与图10E的电阻值变化，而使得接点P11与接点P12之间的电压差会是(VDD)×(ΔR/R)，其可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量的大小。此时，外在磁场在第一方向D1上的磁场分量及在第二方向D3上的磁场分量会分别使各漩涡型磁电阻200形成如图9A与图9B的电阻值变化，而图9A与图9B的这种电阻值变化对于此第三个惠斯登电桥的接点P11与接点P12之间的电压差的贡献会是零。因此，第三个惠斯登电桥可专门用于量测第三方向D3的反方向上的磁场分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁场分量的干扰。

图11为本发明的另一实施例的磁场感测装置的上视示意图。请参照图11，本实施例的磁场感测装置100b类似于图1A与图1B的磁场感测装置100，而两者的差异如下所述。本实施例的磁场感测装置100b不是通过切换电路120来在三个不同时间切换成三个不同的惠斯登电桥，而可以是不具有切换电路120，且同时存在且固定接出三个不同的惠斯登电桥。本实施例的磁场感测装置100b中的第一个惠斯登电桥(即连接漩涡型磁电阻R1、R2、R4及R3的惠斯登电桥)与第二个惠斯登电桥(即连接漩涡型磁电阻R5、R7、R8及R6的惠斯登电桥)分别与图10A中的惠斯登电桥与图10B中的惠斯登电桥相同，只是本实施例的第一个惠斯登电桥与第二个惠斯登电桥是固定的且同时存在的。此外，在本实施例中，磁场感测装置100b还包括一漩涡型磁电阻R9、一漩涡型磁电阻R10、一漩涡型磁电阻R11及一漩涡型磁电阻R12。漩涡型磁电阻R9与漩涡型磁电阻R10配置于第一侧边E1的中段旁，且漩涡型磁电阻R11与漩涡型磁电阻R12配置于第三侧边E3的中段旁。漩涡型磁电阻R1～R4连接成第一个惠斯登电桥，以感测平行于第一侧边E1的方向上的外在磁场的磁场分量(即感测第一方向D1上的磁场分量)，漩涡型磁电阻R5～R8连接成第二个惠斯登电桥，以感测平行于第二侧边E2的方向上的外在磁场的磁场分量(即感测第二方向D2上的磁场分量)，且漩涡型磁电阻R9～R10连接成第三个惠斯登电桥，以感测垂直于第一侧边E1与第二侧边E2所构成的平面的方向上的外在磁场的磁场分量(例如感测第三方向D3的反方向上的磁场分量)。本实施例的第三个惠斯登电桥与图10C的惠斯登电桥一样，只是将漩涡型磁电阻R1、R2、R3及R4分别置换为漩过型磁电阻R9、R10、R11及R12。此外，漩涡型磁电阻R9、R10、R11及R12对各方向的磁场分量的反应类似于漩涡型磁电阻R1、R2、R3及R4，而在此不再重述。

图12为本发明的又一实施例的磁场感测装置的上视示意图。请参照图12，本实施例的磁场感测装置100c类似于图11的磁场感测装置100b，而两者的差异如下所述。在本实施例中，漩涡型磁电阻R9配置于第一侧边E1的中段旁，漩涡型磁电阻R10与R11配置于磁通集中模块110的下方(也就是配置于磁通集中模块110在第三方向D3的反方向的一侧)，例如是配置于磁通集中模块110与基板130之间。此外，漩涡型磁电阻R12配置于第三侧边E3的中段旁。因受到磁通集中模块110的屏蔽作用，外在磁场在第一方向D1上的磁场分量与在第二方向D2上的磁场分量在漩涡型磁电阻R10与R11处几乎不产生磁场，而外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量则与漩涡型磁电阻R10与R11的各模膜垂直，因此漩涡型磁电阻R10与R11也感测不到第三方向D3的磁场分量。换言之，漩涡型磁电阻R10与R11可视为两个哑磁电阻，也就是其电阻值并不会变化。

因此，在本实施例中，漩涡型磁电阻R9电性连接至漩涡型磁电阻R10，漩涡型磁电阻R10电性连接至漩涡型磁电阻R12，漩涡型磁电阻R12电性连接至漩涡型磁电阻R11，漩涡型磁电阻R11电性连接至漩涡型磁电阻R9，接点P9电性连接至漩涡型磁电阻R9与漩涡型磁电阻R10之间的导电路径，接点P10电性连接至漩涡型磁电阻R11与漩涡型磁电阻R12之间的导电路径，接点P11电性连接至漩涡型磁电阻R10与漩涡型磁电阻R12之间的导电路径，接点P12电性连接至漩涡型磁电阻R9与漩涡型磁电阻R11之间的导电路径。如此一来，接点P9可接收参考电压VDD，接点P10可耦接至地，则接点P11与接点P12之间的电压差可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于外在磁场在第三方向D3的反方向上的磁场分量的大小。

在图12中，连接漩涡型磁电阻R1～R4的第一个惠斯登电桥的接点P1～P4及连接漩涡型电阻R5～R8的第二个惠斯登电桥的接点P5～P8则分别相同于图11的第一个惠斯登电桥的接点P1～P4与第二个惠斯登电桥的接点P5～P8，因此在图12中省略而不示出出。

图13为本发明的再一实施例的磁场感测装置的上视示意图。请参照图13，本实施例的磁场感测装置100a类似于图11的磁场感测装置100b，而两者的差异如下所述。在本实施例的磁场感测装置100a中，磁通集中模块110a包括各自独立的一第一磁通集中器112与一第二磁通集中器114，第一侧边E1与第三侧边E3为第一磁通集中器112的相对两侧边，且第二侧边E2与第四侧边E4为第二磁通集中器114的相对两侧边。在本实施例中，第一磁通集中器112与第二磁通集中器114例如呈四角柱状，其中第一侧边E1与第三侧边E3例如为第一磁通集中器112的两个长边，而第二侧边E2与第四侧边E4例如为第二磁通集中器114的两个长边，但本发明不以此为限。漩涡型磁电阻R1～R12与第一至第四侧边E1～E4之间的相对关系则与图11相同，在此不再重述。另外，漩涡型磁电阻R1～R4所连接成的第一个惠斯登电桥、漩涡型磁电阻R5～R8所连接成的第二个惠斯登电桥及漩涡型磁电阻R9～R12所连接成的第三个惠斯登电桥则分别与图11中的第一至第三个惠斯登电桥一样，且其对各方向的磁场分量的反应也与图11的实施例相似，在此不再重述。

综上所述，在本发明的实施例的磁场感测装置中，由于采用了磁通集中模块来改变磁场的方向，且使得漩涡型磁电阻的钉扎方向相对于磁通集中模块的侧边倾斜，因此可以通过采用单一钉扎方向的多个漩涡型磁电阻来达到多个不同方向的磁场分量的感测。如此一来，可使得本发明的实施例的磁场感测装置具有较简单且稳定的制程、较低的制造成本，可使其中的漩涡型磁电阻的磁化状态较为稳定。

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权利要求所界定的为准。

Claims (11)

1.一种磁场感测装置，包括：

磁通集中模块，具有第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，其中所述第一侧边平行于所述第三侧边，所述第二侧边平行于所述第四侧边，且所述第一侧边不平行于所述第二侧边；

多个漩涡型磁电阻，配置于所述第一至第四侧边旁，其中所述多个漩涡型磁电阻具有相同的钉扎方向，所述钉扎方向相对于所述第一侧边倾斜，且相对于所述第二侧边倾斜，所述多个漩涡型磁电阻用以连接成多个不同的惠斯登电桥，以分别感测多个不同方向的磁场分量，

其中所述多个漩涡型磁电阻包括：

第一漩涡型磁电阻与第二漩涡型磁电阻，分别配置于所述第一侧边的两端旁；

第三漩涡型磁电阻与第四漩涡型磁电阻，分别配置于所述第三侧边的两端旁；

第五漩涡型磁电阻与第六漩涡型磁电阻，分别配置于所述第二侧边的两端旁；以及

第七漩涡型磁电阻与第八漩涡型磁电阻，分别配置于所述第四侧边的两端旁；

第九漩涡型磁电阻与第十漩涡型磁电阻，配置于所述第一侧边的中段旁；以及

第十一漩涡型磁电阻与第十二漩涡型磁电阻，配置于所述第三侧边的中段旁，其中所述第一、第二、第三及第四漩涡型磁电阻连接成第一惠斯登电桥，以感测平行于所述第一侧边的方向上的磁场分量，所述第五、第六、第七及第八漩涡型磁电阻连接成第二惠斯登电桥，以感测平行于所述第二侧边的方向上的磁场分量，且所述第九、第十、第十一及第十二漩涡型磁电阻连接成第三惠斯登电桥，以感测垂直于所述第一侧边与所述第二侧边所构成的平面的方向上的磁场分量。

2.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述钉扎方向与所述第一侧边的夹角落在10度至80度的范围内，且所述钉扎方向与所述第二侧边的夹角落在10度至80度的范围内。

3.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述钉扎方向平行于所述第一侧边与所述第二侧边所建构出的平面。

4.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述第一侧边垂直于所述第二侧边。

5.根据权利要求1所述的磁场感测装置，还包括切换电路，电性连接至所述多个漩涡型磁电阻，所述切换电路适于在三个不同的时间分别将所述多个漩涡型磁电阻的连接状态切换至三个不同的惠斯登电桥，以分别感测三个不同方向的磁场分量。

6.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述磁通集中模块包括一个磁通集中器，且所述第一、第二、第三及第四侧边为所述磁通集中器的四个侧边。

7.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述磁通集中模块包括各自独立的第一磁通集中器与第二磁通集中器，所述第一侧边与所述第三侧边为所述第一磁通集中器的相对两侧边，且所述第二侧边与所述第四侧边为所述第二磁通集中器的相对两侧边。

8.根据权利要求1所述的磁场感测装置，还包括：

基板，其中所述磁通集中模块与所述多个漩涡型磁电阻均配置于所述基板上。

9.根据权利要求8所述的磁场感测装置，其中每一漩涡型磁电阻包括：

钉扎层，配置于所述基板上；

受钉扎层，配置于所述钉扎层上；

间隔层，配置于所述受钉扎层上；以及

圆形自由层，配置于所述间隔层上，且具有漩涡形磁化方向分布，其中所述间隔层非磁性金属层，而所述漩涡型磁电阻为巨磁电阻。

10.根据权利要求8所述的磁场感测装置，其中每一漩涡型磁电阻包括：

钉扎层，配置于所述基板上；

受钉扎层，配置于所述钉扎层上；

间隔层，配置于所述受钉扎层上；以及

圆形自由层，配置于所述间隔层上，且具有漩涡形磁化方向分布，其中所述间隔层为绝缘层，而所述漩涡型磁电阻为穿隧磁电阻。

11.一种磁场感测装置，包括：

磁通集中模块，具有第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边，其中所述第一侧边平行于所述第三侧边，所述第二侧边平行于所述第四侧边，且所述第一侧边不平行于所述第二侧边；

多个漩涡型磁电阻，配置于所述第一至第四侧边旁，其中所述多个漩涡型磁电阻具有相同的钉扎方向，所述钉扎方向相对于所述第一侧边倾斜，且相对于所述第二侧边倾斜，所述多个漩涡型磁电阻用以连接成多个不同的惠斯登电桥，以分别感测多个不同方向的磁场分量，

其中所述多个漩涡型磁电阻包括：

第一漩涡型磁电阻与第二漩涡型磁电阻，分别配置于所述第一侧边的两端旁；

第三漩涡型磁电阻与第四漩涡型磁电阻，分别配置于所述第三侧边的两端旁；

第五漩涡型磁电阻与第六漩涡型磁电阻，分别配置于所述第二侧边的两端旁；以及

第七漩涡型磁电阻与第八漩涡型磁电阻，分别配置于所述第四侧边的两端旁；

第九漩涡型磁电阻，配置于所述第一侧边的中段旁；

第十漩涡型磁电阻与第十一漩涡型磁电阻，配置于所述磁通集中模块下方；以及

第十二漩涡型磁电阻，配置于所述第三侧边的中段旁，其中所述第一、第二、第三及第四漩涡型磁电阻连接成第一惠斯登电桥，以感测平行于所述第一侧边的方向上的磁场分量，所述第五、第六、第七及第八漩涡型磁电阻连接成第二惠斯登电桥，以感测平行于所述第二侧边的方向上的磁场分量，且所述第九、第十、第十一及第十二漩涡型磁电阻连接成第三惠斯登电桥，以感测垂直于所述第一侧边与所述第二侧边所构成的平面的方向上的磁场分量。

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