CN111948583A - 磁场感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场感测装置，包括至少一磁阻传感器以及磁化方向设定元件。磁化方向设定元件设置于至少一磁阻传感器旁。磁化方向设定元件具有彼此相对的电流入口与电流出口。至少一磁阻传感器位于电流入口与电流出口之间，且至少一磁阻传感器的至少一部分的正投影与磁化方向设定元件的正投影重叠。磁化方向设定元件还包括多个电流路径调整结构。多个电流路径调整结构位于电流入口与至少一磁阻传感器之间的区域且用以界定来自电流入口的电流的电流分布。

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

当检测外部磁场时，磁场感测装置会通过内部的磁化方向设定元件产生一设定磁场以使磁阻传感器沿着其延伸方向磁化，并藉此来设定磁阻传感器的磁化方向。通常的做法是在磁阻传感器旁设置一个施加电流的导体以产生设定磁场来磁化磁阻传感器。

一般来说，当电流进入导体后，大部分的电流会由电流入口并以最小阻抗路径在导体内部行进而前往电流出口，由于上述几何关系与电流的传递方式，导致电流集中经过导体的部分区域而造成导体内部电流密度分布不均匀。此外，电流的行进方向也会随着其行进路线而改变。因此，导体不同区域所产生的磁场强度与磁场方向有可能是不同的。上述的现象导致了磁阻传感器无法均匀地磁化，而影响后续磁场感测装置的量测结果。

发明内容

本发明提供一种磁场感测装置，其内部的磁阻传感器可均匀地磁化而具有精确的量测结果。

本发明的一实施例中提供一种磁场感测装置，包括至少一磁阻传感器以及磁化方向设定元件。磁化方向设定元件设置于至少一磁阻传感器旁。磁化方向设定元件具有彼此相对的电流入口与电流出口。至少一磁阻传感器位于电流入口与电流出口之间，且至少一磁阻传感器的至少一部分的正投影与磁化方向设定元件的正投影重叠。磁化方向设定元件还包括多个电流路径调整结构，且多个电流路径调整结构位于电流入口与至少一磁阻传感器之间的区域且用以界定来自所述电流入口的电流的电流分布。

在本发明的一实施例中，上述的这些电流路径调整结构包括彼此不同的第一电流路径调整结构、第二电流路径调整结构以及第三电流路径调整结构。

在本发明的一实施例中，上述的第一电流路径调整结构包括至少一开口。

在本发明的一实施例中，上述的至少一开口的形状包括圆形、椭圆形、三角形、四边形或多边形。

在本发明的一实施例中，上述的第二电流路径调整结构为斜面结构，且第二电流路径调整结构位于电流入口的至少一侧。

在本发明的一实施例中，上述的第三电流路径调整结构包括缺口(notch)。

在本发明的一实施例中，定义一参考轴。参考轴通过磁化方向设定元件的中央处。参考轴具有相对的第一侧与第二侧。电流入口位于第一侧。电流出口位于第二侧。缺口位于第一侧。

在本发明的一实施例中，上述的这些电流路径调整结构包括至少一开口、缺口、斜面结构或其组合。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括一电流产生器。电流产生器用以产生上述电流。电流产生器与磁化方向设定元件耦接。电流由电流入口进入磁化方向设定元件且由电流出口离开磁化方向设定元件。

在本发明的一实施例中，上述的磁阻传感器的种类为异向性磁阻传感器。

基于上述，在本发明实施例的磁场感测装置中，多个电流路径调整结构位于磁化方向设定元件的电流入口与至少一磁阻传感器之间。在电流流经磁阻传感器之前，这些电流路径调整结构能够调整电流的路径以界定电流的电流分布而使电流均匀地往同一方向传递。因此，磁化方向设定元件能够使磁阻传感器均匀地磁化，从而磁场感测装置具有精确的量测结果。

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1是依照本发明的一实施例的一种磁场感测装置的上视意图。

图2A与图2B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。

图3是一比较实施例的磁场感测装置的上视示意图。

图4A是图1中剖面A-A’的电流强度与位置的关系图。

图4B是图3中剖面B-B’的电流强度与位置的关系图。

【符号说明】

10、100：磁场感测装置

110：磁阻传感器

12、120、120’：磁化方向设定元件

122：电流路径调整结构

122a：第一电流路径调整结构

122b：第二电流路径调整结构

122c：第三电流路径调整结构

130：电流产生器

A、B、C：区域

A-A’、B-B’：剖线

D：延伸方向

D1、D2：方向

E：电流入口

EP：边缘部分

FF：铁磁膜

H：外在磁场

I：电流

ΔI：电流差值

M：磁化方向

MP：中央部分

O：电流出口

P1、P1’：第一部分

P2、P2’：第二部分

S1：第一侧

S2：第二侧

SB：短路棒

SD：感测方向

θ：底角

具体实施方式

图1是依照本发明的一实施例的一种磁场感测装置的上视示意图。图2A与图2B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。图3是一比较实施例的磁场感测装置的上视示意图。图4A是图1中剖面A-A’的电流强度与距离的关系图。图4B是图3中剖面B-B’的电流强度与位置的关系图。

请参照图1，在本实施例中，磁场感测装置100包括至少一磁阻传感器110(例如是两个)、磁化方向设定元件120、多个磁化方向设定元件12(例如是两个)以及电流产生器130，其中磁化方向设定元件120包括多个电流路径调整结构122，而磁化方向设定元件12则不设有电流路径调整结构122。于以下的段落中会详细地说明以上元件。

在本发明实施例中所指的磁阻传感器110是指其电阻可经由外在磁场变化而对应改变的传感器。于本例中，磁阻传感器110可为异向性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)。参照图2A以及图2B，异向性磁阻传感器110例如是具有理发店招牌(barber pole)状结构，亦即其表面设有相对于异向性磁阻传感器110的延伸方向D倾斜45度延伸的多个短路棒(electrical shorting bar)SB，这些短路棒SB彼此相间隔且平行地设置于铁磁膜(ferromagnetic film)FF上，而铁磁膜FF为异向性磁阻传感器110的主体，其延伸方向即为异向性磁阻传感器110的延伸方向。异向性磁阻传感器110的感测方向SD垂直于延伸方向D。此外，铁磁膜FF的相对两端可制作成尖端状(tapered)。

在本发明实施例中所指的磁化方向设定元件12、120可为通过通电流而产生磁场的线圈、导线、金属片、其他适合的电导体或上述元件组合的任一态样。磁化方向设定元件12、120分别具有相对的电流入口E与电流出口O。

在本发明实施例中所指的电流路径调整结构122(或称电流路径限制结构)是泛指在功能上用以调整/限制电流路径的结构。电流路径调整结构122可为磁化方向设定元件120内的开口、斜面结构、缺口(notch)或其组合，本发明并不以此为限。举例来说，磁化方向设定元件120包括彼此不同态样的第一、第二与第三电流路径调整结构122a、122b、122c。于本发明实施例中，第一电流路径调整结构122a例如是可使磁化方向设定元件120部分区域的电阻值提高，其具体架构例如是开口，但不以此为限。开口的形状例如是圆形、椭圆形、三角形、四边形或多边形，但不以此为限。第二电流路径调整结构122b例如是可调整/限制电流路径的结构，其具体架构例如是斜面结构，但不以此为限。第三电流路径调整结构122c例如是可补偿电流入口E与电流出口O之间的几何配置关系的结构，其具体架构例如是一与外界连通的缺口，但不以此为限。

在本发明实施例所指的电流产生器130是指用以提供电流I的电子元件。

于以下的段落中会详细地说明磁场感测装置100的元件配置方式。

请参照图1，磁化方向设定元件12、120设置于至少一磁阻传感器110旁，且磁阻传感器110的至少一部分的正投影与磁化方向设定元件120的正投影重叠。详细来说，两个磁化方向设定元件12分别设置于磁阻传感器110的边缘部分EP的下方，磁化方向设定元件120则设置于磁阻传感器110的中央部分MP的下方(即磁阻传感器110的中央部分MP的正投影与磁化方向设定元件120的正投影重叠)。于其他的实施例中，磁化方向设定元件12、120亦可以设置于至少一磁阻传感器110的上方，本发明并不以此为限。也就是说，磁化方向设定元件12、120分别用以设定磁阻传感器110边缘部分EP与中央部分MP的磁化方向。

请再参照图1，磁化方向设定元件120可被分为第一部分P1(上部分)与第二部分P2(下部分)。第一部分P1邻近于电流入口E，第二部分P2邻近于电流出口O。这些电流路径调整结构120位于电流入口E与至少一磁阻传感器110之间的区域。换言之，这些电流路径调整结构120设置于第一部分P1。

详细来说，在第一部分P1中，第一电流路径调整结构122a(开口)设置于电流入口E与第二部分P2之间。第二电流路径调整结构122b(斜面结构)位于电流入口E的相对两侧，而形成一宽度往方向D1渐变的区域，而使第一部分P1的形状看起来为一类梯形的形状，其中类梯形的底角θ的范围可在20度至70度的范围内，本发明并不以此为限。而第三电流路径调整结构122c的位置则是依据电流入口E与电流出口O之间的位置不对称性来设置。定义一通过磁化方向设定元件120的中央处的参考轴R。参考轴R具有相对的第一、第二侧S1、S2。电流入口E位于第一侧S1(右侧)，电流出口O位于第二侧S2(左侧)，而第三电流路径调整结构122c的位置则是设置于电流入口E同侧的第一侧S1。

此外，电流产生器130通过导线与磁化方向设定元件12、120耦接，并用以提供电流I于磁化方向设定元件12、120以使其产生磁场方向为方向D2的一设定磁场，其中导线以螺旋式的方式与磁化方向设定元件12、120耦接。应注意的是，于本实施例中，由于磁化方向设定元件12、120设置于磁阻传感器110的下方，因此可提供磁阻传感器110磁场方向为方向D2的一设定磁场。于其他的实施例中，可将磁化方向设定元件12、120设置于磁阻传感器110的上方，以使磁化方向设定元件12、120提供磁阻传感器110磁场方向为方向D2的反方向的一设定磁场，本发明并不以此为限。

为了要说明本发明的磁场方向设定元件120与电流路径调整结构122的用途，于以下的段落先简介本发明实施例的磁场感测装置100量测磁场的基本原理。

异向性磁阻传感器110在开始量测外在磁场H之前，可先通过磁化方向设定元件120来设定其磁化方向。在图2A中，磁化方向设定元件120可通过通电产生沿着延伸方向D(或称长轴方向)的磁场，以使异向性磁阻传感器110具有磁化方向M。

接着，磁化方向设定元件120不通电，以使异向性磁阻传感器110开始量测外在磁场H。当没有外在磁场H时，异向性磁阻传感器110的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时电流产生器130可施加一电流I，使电流I从异向性磁阻传感器110的左端流往右端，则短路棒SB附近的电流I的流向会与短路棒SB的延伸方向垂直，而使得短路棒SB附近的电流I流向与磁化方向M夹45度，此时异向性磁阻传感器110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，异向性磁阻传感器110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，此时异向性磁阻传感器110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2B所示，当图2B的短路棒SB的延伸方向设于与图2A的短路棒SB的延伸方向夹90度的方向时(此时图2B的短路棒SB的延伸方向仍与异向性磁阻传感器110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SB附近的电流I流向的夹角会小于45度，如此异向性磁阻传感器110的电阻值会变成R+ΔR，亦即异向性磁阻传感器110的电阻值变大。

此外，通过磁化方向设定元件120将异向性磁阻传感器110的磁化方向M设定为图2A所示的反向时，之后在外在磁场H下的图2A的异向性磁阻传感器110的电阻值会变成R+ΔR。再者，通过磁化方向设定元件120将异向性磁阻传感器110的磁化方向M设定为图2B所示的反向时，之后在外在磁场H下的图2B的异向性磁阻传感器110的电阻值会变成R-ΔR

因此，本发明实施例的磁场感测装置100可通过四个以上的磁阻传感器110来构成一至多个惠斯同电桥，所属技术领域中技术人员可依据这些磁阻传感器110并搭配不同的电路设计以及上述电阻值的变化情形，以对应量测到外在磁场H在不同方向上的磁场分量的信号。或者是，于其他的实施例中，磁场感测装置亦可以只具有一至三个磁阻传感器。磁场感测装置可单就各别的磁阻传感器对外在磁场H的变化而产生的一响应信号，而得知磁场的变化。于本实施例中，示出两个磁阻传感器为例，本发明并不以磁阻传感器的数量为限制。

由上述可知，要测量外在磁场H之前，需要通过磁化方向设定元件120对磁阻传感器110设定磁化方向。于以下的段落中会详细地说明磁化方向设定元件120中各电流路径调整结构122的效果。

为了要说明本实施例的电流路径调整结构122的效果，于图3示出了一比较实施例的磁场感测装置10的上视示意图，磁场感测装置10与图1的磁场感测装置100大致上相同，其差异在于：磁化方向设定元件120’亦包括邻近于电流入口E的第一部分P1’与邻近于电流出口O的第二部分P2’，其中第一部分P1’不设有任何的电流路径调整结构，且第一部分P1’的形态为一矩形。此外，于以下的段落中，所谓的磁场方向设定元件12、120的磁场设定部分是指：磁化方向设定元件12、120中与磁阻传感器110重叠的部分，即斜线部分的部分。

请先参照图3，当电流产生器130发出一电流I后，电流I会以一类螺旋状路径依序经过两个磁化方向设定元件12以及磁化方向设定元件120’。在磁化方向设定元件120’内，大部分的电流I会由右上角的电流入口E并依据最小阻抗路径在其内部行进，而由左下角的电流出口O离开。因此，第一部分P1’的右半部分电流密度高且电流流向较为一致，而左半部分则电流密度低且电流流向较不一致。也就是说，电流入口E、电流出口O的位置不对称性造成了电流密度、流向的不对称性。由图3可明显看出，在磁场设定部分中，大部分的电流I会以最小阻抗路径集中流往中间的区域C而具有最高的电流密度，而两侧的区域A、B的电流密度较小，最外侧的区域则因为仍有少许的电流会沿着矩形的边缘处流至于此而具有最低的电流密度。对照图4A可看出：在磁场方向设定元件120’的中央处与磁场方向设定元件12的边缘处所测得电流差值ΔI较大，导致磁阻传感器110的不同区域的磁化程度不一致。此外，在图3的区域C中，由于电流入口E、电流出口O位置的不对称性，亦导致在第一部分P1’中的电流密度集中于右侧，而此现象导致以不同区域A、B、C进入第二部分P2’的电流流向不同。举例来说，在区域C中，可看出电流I的流向大致为方向D3，而在区域A、B中，可看出电流I的流向不同于方向D3，不同的电流流向会造成磁化方向设定元件120’在不同的区域A、B、C所产生的磁场方向是不同的。上述两种状况无法使磁阻传感器110中的每一部分的磁场方向与磁场强度设定为一致。换言之，于图3的比较实施例中，电流I无法均匀地流至磁场设定部分。

请对照图1，类似地，电流I亦会以类螺旋状路径依序经过两个磁化方向设定元件12以及磁化方向设定元件120。于以下的段落会分段说明第一至第三电流路径调整结构122a～122c之间的功效。

请再参照图1，由于第一电流路径调整结构122a(开孔)可使得其附近区域的阻抗提高，当电流I会由电流入口E进入磁化方向设定元件120后，电流I会往不同方向并以较长的路径绕过这些第一电流路径调整结构122a而往电流出口O行进，换言之，这些第一电流路径调整结构122a用以将大部分的电流分散，而不再沿着如同图3所示的最小阻抗路径行进，而有助于电流I以均匀地方式流入磁场设定部分。

请参照图1与图3，相较于图3的第一部分P1’(矩形区域)来说，图1的第二电流路径调整结构122b(斜面结构)的设置省去了电流入口E两侧的三角形部分的体积，因此少部分的电流就不会再经过省略的三角形部分，而是沿着斜面结构流往最外侧的区域，这样的设计有助于提升最外侧的区域的电流密度。

请参照图1，在本实施例中，由于电流入口E、电流出口O两者之间的配置关系而具有不对称性，由于第三电流路径调整结构122c(缺口)设置于与电流入口E的同一侧，因此当电流I从右上角的电流入口E流入时，大部分的电流I会往第三电流路径调整结构122c的左方传递以绕过第三电流路径调整结构122c，而往左下角的电流出口O的方向移动。这样的配置有助于电流I在第一部分P1的右半部分的电流密度降低，而增加第一部分P1的左半部分的电流密度，同时亦可使进入磁场设定部分的电流I流向较为一致。

承上述，在本实施例的磁场感测装置100中，由于磁化方向设定元件120具有多个电流路径调整结构122，且这些电流路径调整结构122设置于电流入口E与至少一磁阻传感器110之间的区域。因此，当电流I由电流入口E流入时，电流I的路径可以被这些电流路径调整结构122调整以界定电流的电流分布而使其均匀地进入磁场设定部分，因此磁阻传感器110可以均匀地被磁化方向设定元件120磁化，从而磁场感测装置100具有精确的量测结果。

于上述的实施例中，磁阻传感器110的中央部分MP对应重叠于具有电流路径调整结构122的磁化方向设定元件120，而两个边缘部分EP对应重叠于不具有电流路径调整结构122的磁化方向设定元件12。于其他的实施例中，亦可以将磁阻传感器110的中央部分MP、两个边缘部分EP的任一者、任两者或全部对应重叠于磁化方向设定元件120，本发明并不以此为限。

于上述的实施例中，第一部分P1的形状例如是往方向D1的反方向凸出的梯形。于其他的实施例中，第一部分的形状例如是往方向D1的方向凹陷的梯形，而其底角的范围例如亦为20度至70度，但不以此为限。

于上述的实施例中，磁化方向设定元件120例如是同时具有不同架构的第一、第二与第三电流路径调整结构122a～122c，即磁化方向设定元件120同时具有开口、斜面结构与缺口。于其他的实施例中，磁化方向设定元件亦可以是只具有同一类型的电流路径调整结构，举例来说，磁化方向设定元件亦可只具有上述不同架构的单一种(例如是只具有开口、斜面结构或缺口中的任一种)，于另一些实施例中，磁化方向设定元件亦可只具有上述三种架构(开口、斜面结构与缺口)的任二种，本发明并不以此为限。

综上所述，在本发明实施例的磁场感测装置中，多个电流路径调整结构位于磁化方向设定元件的电流入口与至少一磁阻传感器之间。在电流流经磁阻传感器之前，这些电流路径调整结构能够调整电流的路径以界定电流的电流分布而使电流均匀地往同一方向传递。详细来说，这些电流路径调整结构可包括开口、斜面结构、缺口或其组合，其能够调整磁场方向设定元件的第一部分中不同区域的阻抗、调整/限制电流路径、或补偿电流密度与电流流向的不对称性，以界定电流的电流分布而使电流均匀地且往同一方向传递至磁场设定部分。因此，磁化方向设定元件能够使磁阻传感器均匀地磁化，从而磁场感测装置具有精确的量测结果。

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的技术人员，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 (10)

1.一种磁场感测装置，包括：

至少一磁阻传感器；以及

磁化方向设定元件，设置于所述至少一磁阻传感器旁，所述磁化方向设定元件具有彼此相对的电流入口与电流出口，所述至少一磁阻传感器位于所述电流入口与所述电流出口之间，且所述至少一磁阻传感器的至少一部分的正投影与所述磁化方向设定元件的正投影重叠，

其中，所述磁化方向设定元件还包括多个电流路径调整结构，且所述多个电流路径调整结构位于所述电流入口与所述至少一磁阻传感器之间的区域且用以界定来自所述电流入口的电流的电流分布。

2.如权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个电流路径调整结构包括彼此不同的第一电流路径调整结构、第二电流路径调整结构以及第三电流路径调整结构。

3.如权利要求2所述的磁场感测装置，其特征在于，所述第一电流路径调整结构包括至少一开口。

4.如权利要求3所述的磁场感测装置，其特征在于，所述至少一开口的形状包括圆形、椭圆形、三角形、四边形或多边形。

5.如权利要求2所述的磁场感测装置，其特征在于，所述第二电流路径调整结构为斜面结构，且所述第二电流路径调整结构位于所述电流入口的至少一侧。

6.如权利要求2所述的磁场感测装置，其特征在于，所述第三电流路径调整结构包括缺口。

7.如权利要求6所述的磁场感测装置，其特征在于，定义参考轴，其中所述参考轴通过所述磁化方向设定元件的中央处，所述参考轴具有相对的第一侧与第二侧，所述电流入口位于所述第一侧，所述电流出口位于所述第二侧，其中所述缺口位于所述第一侧。

8.如权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述多个电流路径调整结构包括至少一开口、缺口、斜面结构或其组合。

9.如权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括电流产生器，用以产生所述电流，所述电流产生器与所述磁化方向设定元件耦接，其中所述电流由所述电流入口进入所述磁化方向设定元件且由所述电流出口离开所述磁化方向设定元件。

10.如权利要求1所述的磁场感测装置，其中所述磁阻传感器的种类为异向性磁阻传感器。

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