TW201237447A - Micro-magnetic field sensor, micro-magnetic field sensor device and method - Google Patents

Description

201237447 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種將一磁場作三維式檢出、， 器、一種相關之微磁場感測器裝置，— 彳政磁場感測 —相關的方法。 【先前技術】 它們已有無數 的磁場的敏感 用於測量磁場的感測器也稱「磁計 ， 習知實施例’它們就其準確性、其對所要測 性、其構造尺寸及其製造成本大不相同。 為了使這類磁場也可用在行動式r 仃勁式（亦即可攜帶式）器j 中，例如以將地球磁場的準確方向求出或將該可"” 或-車子相對於地球磁場的方向的準確朝向測定：故需;‘ 將這類磁計做得特別緊密。為此，習知技術係在基材上5 造小型化磁計，和尺寸相當的積體f路相似。在此，這炎 磁計，舉例而[係根據霍爾效應、各向異性（_购〇心 磁阻效應、Ri⑽磁阻效應、Riesen磁阻抗效應、或通邊 閘技術，但它們在磁場之可能之測量方向（它們可相對於一 基材表面作這些方向的測量）各不同。 因此霍爾磁計（特別是當它們整合在一電子回路中時） 此/則里垂直於基材表面的磁場分量。本申請人另外還知 道.這些霍爾磁計也可測量二個另外的空間方向，亦即在 基材的平面中一個方向，但準確度差得多。 根據AMR效應、GMR效應、GMI效應及通量閘技術 的磁计固然準確度較高，但只能在基材平面的一個方向以

S 201237447 高準確度測量。 此外本申請人還知道有人在一些巨視磁計（亦即不適合 行動應用的磁計）沿各一空間方向設到一相關之感測器元件 中，但這種解決方案對於行動應用的小型化磁計並不實用 或不能轉用，因為小型化磁計一般設在積體電路或晶片 上，且它們須和一電路板並聯或設在一電路板上。

US 7,095,266 B1提到一種根據AMR效應的感測器，它 垂直設在一典型電子殼體中。這點係可能者，用在AMR感 測器的場合’活塞區域可在一基材的平面中大致自由地選 擇’因此晶片可很狹小，該晶片可垂直安裝在一磁場感測 器用的典型殼體中，而不會使垂直於基材的殼體高度明顯 增加。GMI及/或通量閘感測器元件由於其鐵磁性的磁心， 其幾何形成為伸長之大致長方形的形狀。在一種相關的設 置’這點會使感測器的殼體高度大大增加。因此WO 2008/016198提到將通量閘及/或GMI感測器元件沿殼體高 度方向設計成縮短，因此不需增加磁計的殼體高度。在此， 各方向的感測器元件的準確性以及不想要的效應如對溫度 的相依性。對機械應力的敏感性、線性度等各不相同，這 點會使磁計的測量準確度整體減少。 【發明内容】 在申請專利範圍第1項中定義了 一種微磁場感測器， 用於將一磁場作三維式的檢出，包含至少三個感測器元 件各用於’則量該磁場的至少一方向，其中至少二個感測 5 201237447 器元件設在一笛 , 0甘rb 帛-+面中，且其中至少-第三感測器元件 °又 第一平面中，第二平面與第一平面垂直，且其中至 f有一感測器元件設成對-第三平面成-銳角或—鈍角， 該第二平面對第一及第二平面成垂直。 在申請專利範圍第6項中定義了 一種微磁場感測器裝 置’用於將—磁場作三維式的檢出，包含： 至少一個上述的微磁場感測器，以及分析手段該分 析手段與至少-分析感測器配合’以將該至少一：二 感測器的測量信號分析。 & n \ 在申請專利範圍第8項中定義了 一種將—磁場作三維 式檢出的方法，包含以下步驟： (51) 利用各至少一感測器元件檢出一磁場的各至少一 方向，其中至少二個感測器元件設 ^ 中至少第三感測器元件設在一第二平面中，中/其 ^ 召第二平面垂 直於第-平面’其中至少一感測器元件設成對—第二平面

成-銳角或鈍度’㈣三平面垂直於該第—及第二：面， 置； X (52) :將所檢出之磁場方向呈測量之感測u件 資料形式送到至少一分析手段；及 、 以將磁場作三 (53) :利用該分析手段將測量資料分析 維式檢出。 微磁場感測 在說明書，特別是在申請專利範圍中 器」一詞特別指在基材上的小型化磁計。 〔發明的優點〕

S 6 201237447 在此，所達成的優點為：益4 ^ 著攻成一銳角或一純角， 亦即將至少一感測器至少部分傾 M斜或完全傾斜設置，此磁 场的所有空間方向都可測量， u此同時微磁場感測器的體 積（特別是其構造高度）可減少。 本發明其他特點及有利的推 ^ ㈤ 』的進—步特色見於申請專利範 圍附屬項。 依本發明一有利實施例， J至少二個感測器元件在該第 一及/或第二平面中設虑5知#丄《 成1相對稱’特別是成鏡像對稱。在 j成之優點為’如此’第—，感測器元件可簡單而廉價 二設置，帛二’如此同樣可確保：環境條件改變時，感測 器元件也以相同方式窃 + π Λ贫生改殳或變動，因此可以使磁場可 靠地測量。 η此外’第-及第二平面的感測器元件互相的設置（特別 ^對於第三平面）可大致相同。如此，磁場測量的可靠性 提高，且感測器元件的設置更簡單。 依本發明另一有利的進—步特點，至少一感測器元件 认成對於3二個平面中的二個平面平行。在此所達成的優 為如此5亥感測器元件可用極可靠的方式至少測量磁場 的一方向。 依本發明又一有利的進一步特點，至少一感測器元件 汉β十成通®閘感測器元件形式。在此所達成的優點為：利 用此感測器元件測量磁場時，可有高準確度。 依該微磁場感測器裝置另一有利的進一步特點，呈一 因應而異的積體電路（ASIC)形式的該分析手段及/或至少一 201237447 感測器元件設在一晶片上，其中該A SIC及/或該至少一晶 片大致設在該第三平面中。在此達成之優點為：如此微磁 場感測器裝置極緊密。 本發明的其他特點和優點見於以下配合圖式的實施例 的說明。 【實施方式】 圖1顯示依本發明感測器元件在一晶片上不同設置方 式的上視圖。 中，圖號（la)及（lb)表示通量 圖 器元件（la)(lb)各有一鐵芯（2)及一線圈（3)，線圈繞鐵芯（2) 纏繞。在晶片（C |)下側設有端子或墊片（pad) (1 〇)。它們用 於與一分析手段（例如呈一 ASIC形式）作導電連接。電路板 (5)上的連線在圖2中未示。通量閘感測器元件一般大致各 有二個不同繞組，它們在圖la中顯示成一個共同繞組（3)， 對各澆組（3) 4要一個端子，因此在圖丨中所示之通量閘感 測器元件（la)(lb)，需要各四個端子，造成四個墊片， 因此整體上，晶片（C!)或（CO共有八個墊片（1〇)。在此依 ，1’晶片（c!)設計成大致長方形。在圖la的上視圖一通 1閘感測器元件（la)(lb)和墊片（1〇)大致設成一假想之角三 角形的形狀。在此’通量閘感測器元件（la)(ib)形成三角护 之向上斜伸的斜邊（圖丨），而塾Μ晴成三角形μ。因 二’在此，塾片⑽設在長方形晶片(C|)的下方較長的一側。 在此，通量閘感測H元件（la)(lb)與長方形 71 V^i)的較長

S 8 201237447 側緣形成一角度（100)(101)，依圖la，角度（100)(101)大致 為45°。此外角度（100)(101)也可有其他值。例如，在銳角 的場合’角度（100)(101)可為15。、30。或50。、60。、或可75。； 在鈍度的場合，角度（100)(101)可為120。、135。、140。等。 當然’角度（100)( 101)也寸有任何各種相關之鈍角或銳角， 例如 1 15.36°。 圖1 b中顯示一晶片（：2 ’它大致和圖1 a的晶片（C i)有相 同構造。此處與圖1 a不同者，第二通量閘感測器元件（丨b) 設成平行於墊片（10)，及平行於長方形晶片（c2)的一較長邊。 圖1 c中再顯示一晶片c3，它大致與圖1 a的晶片（c,) 有相同構造。與圖la及lb不同者，晶片（c3)只有一通量閘 感測器元件（la)，它對長方形晶片（c3)的一較長邊緣成一角 度（1〇1)。角度（101)同樣大致為45。。此外角度（1〇1)同樣可 有其他值，例如在銳角時角度（1〇1)可為15。、3〇。或5〇。、 60°或75° ;在鈍度的場合，角度（1()1)為12〇。、135。、14〇。 等。當然，角度（101)也可有任何各種相關之銳角、鈍角的 值’例如1 15.36。。 圖2a〜2d顯示依本發明的微機械感測器裝置的四個實 施例’此處，圖2中只以三維示意圖顯示晶片 (ci)(CV)(C2)(C2’）（C4)(C3)的設置及一分析單元，呈一 ASIC (4)形式，在此，各晶片（Ci)(C2)(Ci，）（C2，）（C3)(C4)及 ASIC (4) 設在—電路板（5)上。 圖2a顯示一方形ASIC (4)，它在其長邊各有六個墊片 (11)。在此，ASIC (4)設在一電路板（5)上。各有一方形晶片 201237447 (c 1 )(c,’）設成與其一長邊緣及一橫邊緣平行’該二晶片大致 具有圖la的晶片（Cl)的構造，晶片（C|)(C|，）的墊片（1〇)在圖 2a中係設在晶片（Ci)(C|，）的一平面中，該平面設成垂直於 電路板（5)的表面。 在圖2b中顯示和圖！ a的相關設置，其中依圖1 a的晶 片（Ci)(cv)利用晶片（c2)(C2，）設在一電路板（5)之相關位 置。晶片（C2)(CV)的構造相當於圖a的晶片（C2) » 圖2c中顯示晶片元件（C4)(C3)另一設置方式。在電路板 (5)的右側顯示具墊片（丨丨）的ASIC (4)。在左恆緣上，在其 左縱緣的區域顯示一晶片（c4)，它具有通量閘感測器元件 (lb)’此元件大致相當於圖ic的晶片（c3)的構造，其中通量 閘感測器元件（lb)不同於圖lc的通量閘感測器元件，係設 成平行於晶片（c：4)的縱緣。因此晶片（C4)的通量閘感測器元 件（lb)依圖2c測量在一平行於電路板（5)的平面中之平行於 ASIC (4)的縱緣的磁場的方向。晶片（c4)左側在電路板 上設有另一晶片（C4)，它具有一通量閘感測器元件（丨a)。它 相對於晶片（Co的通量閘感測器元件（lb)設成在電路板（5) 的平面中轉90〇’因此測量平行於ASIC(4)的一橫緣的電路 板（5)平面中磁場的變化。在圖2c中，設有一依圖〗c的晶 片（C3)，平行於該具有通量閘感測器元件（lb)的晶片的 縱緣。在此，墊片（1〇)又與電路板（5)連接。在此，角度（ΐ()ι) (見圖lc)係在通量閘感測器元件（lc)和電路板間且大致 為約45° 〇此外角度（1()1)同樣可有其他任何值，例如銳角 15、30。或5 0。、60。或75。’而鈍角為12〇〇、135〇14〇〇等。 201237447 &然，角度（1 〇 1)也可有任何其他鈍角或銳角的值，例如 50.470 ° 圖2d中此處顯示大致依圖2c的設置，與圖2c不同者， 具有墊片（1 1)的ASIC (4)在電路板（5)右側前景中。ASIC (4) 或晶片（C3)左邊設有依圖ia的一晶片（Ci)。此二通量閘感測 益元件（1 a)( 1 b)與圖2a實施例不同，例如設在一個平行於電 路板（5)的平面中。 圖2a〜2d所有晶片大致設計成正方形且以至少一邊緣 設成平行於另一晶片或ASIC。 圖3顯示本發明一實施例的方法步驟。 圖3中圖號8丨表示以下步驟。 利用各至少一感測器元件將一磁場的各至少一方向檢 出，其中至少二個感測器元件設在一第一平面中，且其中 至少該第三個感測器元件設在一第二平面中，第二平面垂 直於第一平面設置，且其中至少一感測器元件對一第三平 面設成一銳角或一鈍角的角度（第三平面設成垂直於第一及 第一平面）。圖號Sz表示以下步驟：將所檢出之磁場方向（呈 感測器元件的測量資料形式）送到至少一分析手段。圖號S3 表示以下步驟：利用分析手段分析此測量資料，以將磁場 作三維式檢出。 雖然本發明在上文利用較佳實施例說明，但其範圍不 限於此，而係可用許多方式變更。 【圖式簡單說明】 201237447 圖1係依本發明感測器元件各種在一晶片上不同設置 方式的上視圖； 圖2係依本發明的一微機械感測器裝置的四個實施例； 圖3係依本發明一實施例之方法步驟。 【主要元件符號說明】

S (la) 通量閘感測器元件 (lb) 通量閘感測器元件 (1c) 通量閘感測器元件 (Id) 通量閘感測器元件 (2) 鐵芯 (3) 繞組 (4) ASIC (5) 電路板 (10) 端子或墊片 (11) 墊片 (100) 角度 (101) 角度 (Ci) 晶片 (Ci，） 晶片 (C2) 晶片 (C25) 晶片 (C3) 晶片 (c3，） 晶片 12 201237447

Claims (1)

1. 201237447 七、申請專利範圍： 1 · 一種微磁場感測器，用於將一磁場作三維式的檢出’ 包含至少二個感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)，各用於測量該磁 場的至少一方向，其中至少二個感測器元件（la)(lb)(lc)(id) 設在一第一平面中，且其中至少一第三感測器元件 (la)(lb)(lc)(ld)設在一第二平面中，第二平面與第一平面垂 直，且其中至少有一感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)設成對一第 一平面成一銳角（1〇〇)或一純角（1〇1)，該第三平面對第一及 第二平面成垂直。 2 · 士申叫專利乾圍第1項之微磁場感測器，其中： 至少二個感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)在該第一及/或第 一平面中設成互相對稱’特別是成鏡像對稱。 3. 如申3月專利範圍第1〜2項之任一項之微磁場感測 器，其中： 至少一感測器元件（la)(lb)(lC)(ld)設成對於該三個平 面中的二個平面平行。 4. 如申請專利範圍第1或第2項之微磁場感測器，其中： 〇〇至少—感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)設計成通量閘感測 器元件形式。 5 ‘如申睛專利範圍第1或第2項之微磁場感測器，其中： 该至少三個感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)全具有相同類 型及/或相同構造。 6 · 一種微磁場感測器裝置’用於將一磁場作三維式的檢 出’包含： 201237447 至少一個依申請專利範圍第1〜第5項至少一項的微磁 場感測器’以及分析手段（4)，該分析手段與至少一分析感 測器配合’以將該至少一微機械式感測器的測量信號分析。 7. 如申請專利範圍第6項之微磁場感測器裝置，其中： 呈一因應而異的積體電路（ASIC)形式的該分析手段（4) 及/或至少一感測器元件（la)(lb)(lc)設在一晶片 (<^)((：2)((：3)((：4)上，其中該ASIC (4)及/或該至少一晶片大 致設在該第三平面中。 8. —種將一磁場作三維式檢出的方法，包含以下步驟： (S 1):利用各至少一感測器元件（1 a)( 1 b)( 1 c)( 1 d)檢出一 磁場的各至少一方向，其中至少二個感測器元件 (la)(lb)(U)(ld)設在一第一平面中，且其中至少第三感測器 元件（la)(lb)(lc)(ld)設在一第二平面中，該第二平面垂直於 第一平面，其中至少一感測器元件（la)(lb)(lc)(ld)設成對一 第三平面成一銳角或鈍度（100)(101)，該第三平面垂直於該 第一及第二平面設置； (52) :將所檢出之磁場方向呈測量之感測器元件 (la)(lb)(lc)(ld)的測量資料形式送到至少一分析手段（4); 及 (53) :利用該分析手段將測量資料分析’以將磁場作三 維式檢出。 八、圖式： (如次頁） 15