TW201312140A - 磁阻感測元件與磁阻感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種磁阻感測元件包含一長形之水平磁阻層、一導電部與一第一磁場感應層。水平磁阻層位於基板表面上方，沿著其長度延伸方向具有第一側以及與該第一側相對的第二側。導電部位於該水平磁阻層的上方或下方與其電耦合，該長形之水平磁阻層與該導電部構成至少一電流路徑。第一磁場感應層係不平行於該基板表面，在該水平磁阻層的該第一側處與該水平磁阻層磁性耦合。

Description

磁阻感測元件與磁阻感測裝置

本發明是關於一種磁場感測元件及磁場感測裝置，且特別是關於一種可感測與基板表面垂直之磁場且可與感測平行基板表面之磁場的磁場感測元件整合在相同晶片中的磁場感測元件。

磁阻元件中所包含的磁阻材料可因應磁場強度之變化而改變其電阻值，目前大量地應用於運動產品、汽車、馬達、通訊產品中。常見的磁阻材料可依其作用方式的差異以及靈敏度的不同而分為異向性磁阻 (anisotropic magnetoresistance，AMR)、巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)及穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)等類型。

迄今，無論所用的磁阻材料為何，能量測三維磁場變化的磁阻裝置大多需要將量測不同方向的複數磁阻裝置藉由封裝而整合在一起，這使得成本上升、裝置的良率下降以及封裝的困難度增加。

本發明的目的在於提供一種磁阻感測元件，其可感測與基板表面垂直之磁場，且其材料與製程使其易與感測平行基板表面之磁阻感測元件整合在相同晶片中 。

本發明提出一種磁阻感測元件，包含一長形之水平磁阻層、一導電部與一第一磁場感應層。該水平磁阻層係位於基板表面上方，沿著其長度延伸方向具有第一側以及與該第一側相對的第二側。該導電部位於該水平磁阻層的上方或下方與其電耦合，該長形之水平磁阻層與該導電部構成至少一電流路徑。第一磁場感應層係不平行於該基板表面，在該水平磁阻層的該第一側處與該水平磁阻層磁性耦合。

在本發明之一實施例中，該導電部包含複數長形導電條，此複數長形導電條的長度延伸方向與該水平磁阻層的長度延伸方向夾一銳角。

在本發明之一實施例中，該第一磁場感應層為自該水平磁阻層的該第一側向上或向下延伸的長條形。

在本發明之一實施例中，該第一磁場感應層包含自該水平磁阻層的該第一側向上或向下延伸的複數離散子部。

在本發明之一實施例中，該導電部包含自該水平磁阻層之該第一側朝向該第二側延伸的複數第一側導電部以及自該水平磁阻層之該第二側朝向該第一側延伸的複數第二側導電部。

在本發明之一實施例中，該磁阻感測元件更包含不平行於該基板表面且在該第二側處與該水平磁阻層磁性耦合的第二磁場感應層，該第二磁場感應層包含自該水平磁阻層的該第二側向下延伸的複數離散子部。

在本發明之一實施例中，該第一磁場感應層的該複數離散子部與該第二磁場感應層的該複數離散子部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯方式配置。

在本發明之一實施例中，該複數的第一側導電部與該複數的第二側導電部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯方向或以對稱方式配置。

本發明亦提出一種磁阻感測裝置，其包含一惠斯頓電橋的配置，此惠斯頓電橋具有四隻電阻臂，每一隻該電阻臂包含根據本發明之磁阻感測元件。

本發明在此所探討的是一種磁阻感測元件與磁阻感測裝置，本發明的磁阻感測裝置特別是針對感測垂直基板表面之磁場用的磁阻感測元件，並可以包含感測裝置常用的其他結構如：設定/重設定電路；感測X/Y軸方向之磁場用的磁阻感測元件；各式用以放大信號、過濾信號、轉換信號用的電路；屏蔽非所欲之電磁干擾用的屏蔽結構….等。為了能徹底且清楚地說明本發明及不模糊本發明的焦點，便不針對此些常用的結構多做介紹，但本發明之整合式磁阻感測裝置可選擇性地包含此些常用的結構。

下面將詳細地說明本發明的較佳實施例，舉凡本中所述的元件、元件子部、結構、材料、配置等皆可不依說明的順序或所屬的實施例而任意搭配成新的實施例，此些實施例當屬本發明之範疇。在閱讀了本發明後，熟知此項技藝者當能在不脫離本發明之精神和範圍內，對上述的元件、元件子部、結構、材料、配置等作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準，且此些更動與潤飾當落在本發明之申請專利範圍內。

本發明的實施例及圖示眾多，為了避免混淆，類似的元件係以相同或相似的標號示之；為避免畫面過度複雜及混亂，重覆的元件僅標示一處，他處則以此類推。圖示意在傳達本發明的概念及精神，故圖中的所顯示的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆為示意而非實況，所有能以相同方式達到相同功能或結果的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆可視為等效物而採用之。

在本說明書中，「磁場感應層」或「磁場導引層」係由磁性材料構成，「磁阻層」亦為磁性材料，尤其指電阻值會隨外在磁場變化而改變的離散或連續的單一或多層膜層，其例如是異向性磁阻 (anisotropic magnetoresistance，AMR)、巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)及穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance，TMR)，其包含鐵磁材料（ferromagnet）、反鐵磁材料（antiferromagnet）、非鐵磁性金屬材料、穿隧氧化物材料（tunneling oxide）及上述者的任意組合。「磁場感應層」或「磁阻層」或「磁場導引層」較佳地意指異向性磁阻 (anisotropic magnetoresistance，AMR)，尤其是坡莫合金(permalloy)。在本說明書中，「感應」、「導引」等加諸在部件前的形容詞係用來說明磁阻感測元件在感應特定方向之磁場時，該些部件所具有的功能或效果，當欲感應之磁場方向改變(例如相反)時，該些部件的功能或效果可能會改變或互換，因此「感應」、「導引」等加諸在部件前的形容詞不應限制該些部件的功能或效果。在本說明書中，「導電條」或「導電部」或「內連線」係指具有導電能力之不限形狀的導電結構，其材料可以是金屬、合金、矽化物、奈米管、導電碳材、摻雜矽，其結構可以是線條、離散的島形物、薄片、貫孔、以鑲嵌製程製作的單鑲嵌結構或雙鑲嵌結構、或上述結構沿著水平或垂直方向上的任意組合。在本說明書中，「磁場」或「沿著某一方向的磁場」可以用來代表在某處各種不同來源之磁場在相加或抵消後的淨磁場也可以用來代表未考慮其他來源下在某處特定來源的磁場或在某一方向上的磁場分量。在本說明書中，A與B部件「磁性耦合」係指通過A與B其中一者的磁力線會受到另一者的導引而產生轉向、集中等效果，因此A與B部件「磁性耦合」可代表兩者實體接觸、或彼此接近到足以互相產生磁性影響的程度但並未實體接觸。在本說明書中，A與B部件「電耦合」係指電流可由A與B其中一者而流至另一者，因此A與B部件「電耦合」可代表兩者實體接觸、或兩者間具有一或多個導電結構/物質使兩者得以電交流。

請參考圖1與圖4，圖1顯示根據本發明一實施例之Z軸磁阻感測元件的立體圖，圖4顯示沿著圖1中之A-A’切線所獲得之橫剖面的示意圖。在圖1中強調Z軸磁阻感測元件1000中各個部件的形狀及位向，在圖4-4B中強調與感測Z軸磁場相關的主要部件。Z軸磁阻感測元件1000主要包含水平磁阻層400、非水平之磁場感應層300以及導電條500。長形的水平磁阻層400位於基板100上方並與基板100平行，其沿著Y方向延伸，具有長、窄的薄板形狀但末端不見得需要尖縮收斂。水平磁阻層400在寬度方向(X方向)上具有靠近+X方向的第一側以及與第一側相對的第二側，在長度方向(Y方向)上具有電耦合至工作電壓(Vcc)的一端以及電耦合至接地電壓(GND)的另一端。非水平之磁場感應層300亦位於基板100上方並近乎垂直於基板100(亦可為傾斜面或複數傾斜面之組合設計，即含有垂直分量，此圖例以近乎垂直為例)，其自水平磁阻層400的第一側向下延伸並與水平磁阻層400磁性耦合，以將其感受到之Z軸方向的磁場轉向(或導引)至水平磁阻層400，導致磁阻感測元件的電阻改變並產生輸出電壓的變化。水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300可以是用相同磁阻材料所形成的一體成形結構，或者可以是用相同或不同磁性材料或其組合分別形成但實體相接的分離結構，又或者可以是用相同或不同磁性材料或其組合所形成的實體分離結構，是故在相同磁阻材料時，亦可有不同厚度，以對應設計所需。只要水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300彼此接近到足以互相產生磁性影響的程度，兩者可以實體分離。在本實施例中，非水平之磁場感應層300係位於一向下凹陷的下矩形溝槽的內側壁上，使其具有長矩形的形狀。在此下矩形溝槽的內側壁上尚有與非水平之磁場感應層300實體相連的兩連接磁阻層310以及與兩連接磁阻層310相連接的對向磁阻層320，但連接磁阻層310與對向磁阻層320對於感應Z軸方向的磁場較無直接貢獻，在後文中不會對其多加討論。

導電條500係以不平行水平磁阻層400的方式設置在水平磁阻層400的上方或下方且與其電接觸或實體接觸，用以改變原有磁阻材料內的電流方向，使電流方向與磁阻材料的磁化方向夾一角度，藉此增加磁阻材料的感測靈敏度。在本實施例中，複數導電條500具有相同寬度、彼此之間具有相同間距、且皆與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)夾一銳角。導電條500的長度延伸方向係較佳地與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)夾45度角。由於導電條500採用導電金屬材質，其電阻率遠小於水平磁阻層400之磁阻材料的電阻率，因此在導電條500與水平磁阻層400實體接觸之處，電流路徑為電阻率較小的導電條500，然而在水平磁阻層400中(即相鄰的導電條500之間)導電條500間的最短路徑為電流(i)的導通方向；水平磁阻層400與導電條500構成至少一電流路徑(水平磁阻層400懲導電條500懲導電條500間的水平磁阻層400懲下一導電條500….)。基於複數導電條500的形狀、尺寸、配置角度、相鄰導電條500間的間距皆相同，所有相鄰導電條500間之導通電流i亦沿著相同方向，與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)夾一角度θ。

在圖4中，水平磁阻層400、導電條500、非水平之磁場感應層300、對向磁阻層320係位於基板100上的介電層600中，但在最終的成品中可能會有更多的介電層向上堆疊覆蓋水平磁阻層400並保護其他的元件或電路。又，雖然在圖4中非水平之磁場感應層300係直接接觸基板100，但應瞭解，圖中的基板100尚可包含基板與Z軸磁阻感測元件1000間的其他主動、被動元件、各式電路、摻雜區、內連線….等，而非是一般所認知之單一材料的玻璃、矽或塑膠載板。本段落中關於介電層600以及基板100的敘述，同樣適用於圖4A、4B、5、7A、7B、8A、8B，後文便不再贅述。

再來，請參考圖4A，其顯示了圖4中所示之橫剖面的另一實施例。圖4A與圖4的差異在於，在圖4A中導電條500’係位於水平磁阻層400之上方而非如圖4中的導電條500位於水平磁阻層400的下方，且非水平之磁場感應層300’係自水平磁阻層400的第一側向上延伸而非如非水平之磁場感應層300自水平磁阻層400的第一側向下延伸。圖4A中的水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300’可以是位於一溝槽的底部以及側壁，但亦可以其他製程及佈局方式來加以實現。

再來，請參考圖4B，其亦顯示了圖4中所示之橫剖面的另一實施例。圖4B與圖4的差異在於，在圖4B中因製程因素如沈積磁阻材料時在轉角處膜層較薄、進行微影製程時對準偏移或蝕刻磁阻材料時過度蝕刻轉角處，或者因為特殊設計考量，而使得水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300在轉角處不再實體相連。即便水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300實體分離，但兩者應彼此接近到足以互相產生磁性影響的程度，以利Z軸磁阻感測元件的功能運作。

雖然在本文中只針對圖4的橫剖面圖提出圖4A與4B的變化實施例，但應瞭解，圖4A與4B的變化實施例可應用至本發明之所有Z軸磁阻感測元件1000’、1200、1300、1400、1500、1600的第一側或第二側。且圖4、4A、4B中所顯示的水平磁阻層400、非水平之磁場感應層300/300’、 導電條500/500’、導電部510/510’(後續實施例將說明之)皆可任意組合，例如：圖4A中的導電條500’/導電部510’可移至水平磁阻層400的下方；圖4B中的導電條500/導電部510可位於移至水平磁阻層400的上方；圖4A中的水平磁阻層400與非水平之磁場感應層300可實體分離。又，雖然在圖4、4A、4B中所示之磁場感應層300/300’及水平磁阻層400具有相同的均勻厚度，但應瞭解，為了優化感測元件的效能，磁場感應層300/300’及水平磁阻層400可具有不同厚度或材料且磁場感應層300/300’的厚度可沿著垂直方向變化。

接著請參考圖2，其顯示根據本發明另一實施例之Z軸磁阻感測元件1100的立體圖。Z軸磁阻感測元件1100與圖1中之Z軸磁阻感測元件1000的運作原理相同，沿切線B-B’所得之橫剖面亦為圖4所示，水平磁阻層400與導電條500的形狀、材料、位向、相對位置皆同，且電流的導通路徑、方向亦相同，因此在此僅說明兩實施例之不同處。在本實施例中，非水平之磁場感應層300近乎垂直基板表面，由水平磁阻層400的第一側向下延伸，位於複數個向下凹陷的下矩形溝槽的側壁上，因此具有複數個離散子部。在每一下矩形溝槽的內側壁上具有非水平之磁場感應層300的一離散子部、與非水平之磁場感應層300之該離散子部實體相連的兩連接磁阻層310以及與兩連接磁阻層310相連接的對向磁阻層320，但連接磁阻層310與對向磁阻層320對於感應Z軸方向的磁場較無貢獻，在後文中不會對其多加討論。每個下矩形溝槽較佳地具有相同的大小、深度、側壁斜度，使得磁場感應層300的每一離散子部皆具有約略相同的面積及厚度。相鄰的下矩形溝槽之間較佳地具有相同的間距。本實施例中的非水平之磁場感應層300除了樣貌與圖1中的磁場感應層300稍有不同外，其所包含的材料(與水平磁阻層400使用相同或相異的磁阻材料)、與水平磁阻層400的連接方式(磁性耦合)、作用機制(感受Z軸方向的磁場並將磁場轉向(或導引)至水平磁阻層400)皆與圖1相同。

接著請參考圖3與3A，其分別顯示根據本發明另一實施例之Z軸磁阻感測元件1200的立體圖與上視圖。Z軸磁阻感測元件1200主要包含水平磁阻層400、複數第一側之非水平之磁場感應層300(後續簡稱為磁場感應層300)、複數第二側之非水平之磁場感應層350(後續簡稱為磁場感應層350)、複數第一側導電部510、以及複數第二側導電部520。水平磁阻層400的形狀、材料、位向與圖1中的水平磁阻層400相同，在此便不贅述。

本實施例中的第一側磁場感應層300與圖2中之非水平之磁場感應層300類似，近乎垂直於基板表面，由水平磁阻層400的第一側向下延伸而與水平磁阻層400磁性耦合，具有複數個離散子部且每一子部皆位於向下凹陷的下矩形溝槽的側壁上。類似地，在每一下矩形溝槽的內側壁上具有磁場感應層300的一離散子部、與磁場感應層300之該離散子部實體相連的兩連接磁阻層310以及與兩連接磁阻層310相連接的對向磁阻層320。在本實施例中，Z軸磁阻感測元件1200更具有非水平之磁場感應層350。類似於磁場感應層300，磁場感應層350近乎垂直於基板表面，由水平磁阻層400的第二側向下延伸而與水平磁阻層400磁性耦合，具有複數個離散子部且每一子部皆位於向下凹陷的下矩形溝槽的側壁上。類似地，在每一下矩形溝槽的內側壁上具有磁場感應層350的一離散子部、與磁場感應層350之該離散子部實體相連的兩連接磁阻層360以及與兩連接磁阻層360相連接的對向磁阻層370。

與圖2相較，在圖3中磁場感應層300之相鄰子部之間的距離較遠，磁場感應層350之相鄰子部之間的距離也較遠，且磁場感應層300之子部與磁場感應層350之子部沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)以交錯方式配置，磁場感應層300之子部與磁場感應層350之子部可部分交疊或完全不交疊。較佳地，每個第一側/第二側的下矩形溝槽較佳地具有相同的大小、深度、側壁斜度，使得磁場感應層300/350的每一離散子部皆具有約略相同的面積及厚度。相鄰的第一側/第二側下矩形溝槽之間較佳地具有相同的間距。

複數第一側導電部510自該水平磁阻層400之第一側朝向該第二側延伸，可延伸遠至第二側；複數第二側導電部520自該水平磁阻層400之第二側朝向該第一側延伸，可延伸遠至第一側。第一側導電部510與第二側導電部520的形狀可相同或不同(在此例中為相同)並可為任意形狀(在此例中為梯形)。但一般而言，第一側導電部510具有相同的形狀、大小且相鄰之第一側導電部510間具有相同間距，第二側導電部520具有相同的形狀、大小且相鄰之第二側導電部520間具有相同間距，第一側導電部510與第二側導電部520沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)以交錯方式配置。較佳地，第一側導電部510與第二側導電部520皆具有相同的形狀、大小，且相鄰之第一側導電部510與第二側導電部520的相望鄰邊彼此平行(在此例中為第一側導電部510的腰部與相鄰第二側導電部520的相望腰部彼此平行)。由於第一側導電部510與第二側導電部520採用導電金屬材質，其電阻率遠小於水平磁阻層400之磁阻材料的電阻率，因此在第一側導電部510/第二側導電部520與水平磁阻層400實體接觸之處，電流路徑為電阻率較小的第一側導電部510與第二側導電部520，然而在水平磁阻層400中(即相鄰的第一側導電部510與第二側導電部520之間)第一側導電部510與第二側導電部520間的最短路徑為電流(I/I’)的導通方向。當在水平磁阻層400中電流自第二側導電部520流向第一側導電部510時，電流I與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間具有夾角+ω。當在水平磁阻層400中電流自第一側導電部510流向第二側導電部520時，電流I’與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間具有夾角-ω。ω的數值相同，其大小取決於梯形之腰部的斜度，但+ω為順時針方向而-ω為逆時針方向。水平磁阻層400與第一側導電部510/第二側導電部520構成至少一電流路徑(水平磁阻層400懲第一側導電部510懲第一側導電部510與第二側導電部520間的水平磁阻層400懲第二側導電部520懲第二側導電部520與第一側導電部510間的水平磁阻層400….)。

現參考圖3A，皆自水平磁阻層400的第一側延伸的磁場感應層300之複數子部以及複數第一側導電部510之間，除了水平磁阻層400長度不允許的特例情況外，每一磁場感應層300之子部皆對應至一第一側導電部510且兩者在第一側上部分交疊，交疊的長度較佳地為磁場感應層300之子部的長度的一半及/或第一側導電部510之底邊(在此例中為梯形的底邊)的長度的一半。相同的原則適用於自水平磁阻層400的第二側延伸的磁場感應層350之複數子部以及複數第二側導電部520(兩者間的對應與在第二側上的交疊關係)。

由於在圖3中沿著切線D-D’所獲得的橫剖面係如圖4所示，而先前已對圖4進行了詳細的說明，在此便不贅述。在圖3中沿著切線C-C’所獲得的橫剖面係如圖5所示，與圖4不同的是，下矩形溝槽係位於水平磁阻層400的第二側，因此磁場感應層350與對向磁阻層370係位於水平磁阻層400的第二側。針對圖4所提及的所有變化皆適用於圖5，在此便不多做舉例或說明。

現參考圖6、7A與7B，其分別顯示根據本發明更另一實施例之Z軸磁阻感測元件1300的立體圖、沿著E-E’與F-F’切線的橫剖面圖。Z軸磁阻感測元件1300與圖3中之Z軸磁阻感測元件1200的運作原理相同，水平磁阻層400、第一側導電部510與第二側導電部520、第一側磁場感應層300與第二側磁場感應層350的形狀、材料、位向、相對位置皆同，且電流的導通路徑、方向亦相同，因此在此僅說明兩實施例之不同處。在本實施例中，Z軸磁阻感測元件1300除了Z軸磁阻感測元件1200的所有部件外，更包含複數第一磁通量集中結構710與複數第二磁通量集中結構720。複數第一磁通量集中結構710自水平磁阻層400之第一側向上延伸並與水平磁阻層400磁性耦合，且沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)與該第一側磁場感應層300的該複數離散子部交替配置。複數第二磁通量集中結構720自水平磁阻層400的該第二側向上延伸並與該水平磁阻層400磁性耦合，且沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)與第二側磁場感應層350的該複數離散子部交替配置。從圖6、7A與7B中可見，第一磁通量集中結構710與第二磁通量集中結構720具有大小相同的方塊的形式且較佳地位於水平磁阻層400的兩側上方(非正上方)，以有效地集中/導引通過水平磁阻層400的磁通量。然而，只要第一磁通量集中結構710與第二磁通量集中結構720採用磁性材料或磁阻材料，其可因應不同Z軸磁阻感測元件的設計及/或需求而採用其他形狀之塊材結構或具有其他形式。例如，如圖8A與8B中所示，以第一側上方之矩形溝槽以及溝槽內側壁上的磁性材料740/750(平行於紙面的磁性材料未被顯示)來取代第一磁通量集中結構710，並以第二側上方之矩形溝槽以及溝槽內側壁上的磁性材料760/770(平行於紙面的磁性材料未被顯示)來取代第二磁通量集中結構720。740為第一側之非水平之磁場導引層而760為第二側之非水平之磁場導引層，兩者具有導引磁通量的功能亦兼具有磁場感應層的功能。是以當磁性材料740/750與磁性材料760/770被用作為磁場感應層時，將其稱為第三磁場感應層以與第一側磁場感應層300與第二側磁場感應層350有所區別。由於圖7A、7B、8A、8B的其他部件皆與圖4、5相同，在此便不贅述。

又，圖7A、7B、8A、8B中的磁通量集中結構(在此泛指710、720、740+750、760+770的任一者或其任意組合)可應用至本發明之所有Z軸磁阻感測元件1000、1000’、1200、1300、1400、1500、1600的第一側及/或第二側。例如，針對Z軸磁阻感測元件1000，可在水平磁阻層400的第二側上方加上如圖7B中所示的長條塊狀第二磁通量集中結構720，或者加上如圖8B中所示的長矩形溝槽及溝槽內側壁上的磁性層。例如，針對Z軸磁阻感測元件1100，可在水平磁阻層400的第二側上方加上複數如圖7B中所示的離散、方塊狀的第二磁通量集中結構720，或者加上複數如圖8B中所示的矩形溝槽及溝槽內側壁上的磁性層。

現參考圖9A-9C，其顯示根據本發明其他實施例之Z軸磁阻感測元件的平面圖。在詳細說明過圖3之Z軸磁阻感測元件1200後，應不難理解，圖3之說明可作為瞭解圖9A-9C之實施例的基礎，因此相同之處便不重覆說明。圖9A中之Z軸磁阻感測元件1400與Z軸磁阻感測元件1200之差異在於，圖3中的第一側導電部510與第二側導電部520皆為梯形且自水平磁阻層400的一側朝向另一側延伸但未達另一側，但圖9A中的第一側導電部510與第二側導電部520皆為等腰三角形或正三角形(取決於水平磁阻層400的寬度)且自水平磁阻層400的一側朝向另一側延伸並到達另一側。由於水平磁阻層400、第一側磁場感應層300、第二側磁場感應層350的配置皆與圖3相同，在此便不贅述。

圖9B中之Z軸磁阻感測元件1500與Z軸磁阻感測元件1200之差異有數點。首先，圖3中水平磁阻層400第一側處的複數凹陷矩形溝槽、第二側處的複數凹陷矩形溝槽皆較為分散，導致第一側磁場感應層300之相鄰子部間的間距較大、第二側磁場感應層350之相鄰子部間的間距也較大，但圖9B中兩側處的複數凹陷矩形溝槽皆較為密集，造成第一側磁場感應層300之相鄰子部間的間距較小、第二側磁場感應層350之相鄰子部間的間距也較小、磁場感應層300與磁場感應層350雖沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)交錯配置但兩者的交疊範圍較大。再者，圖3中的第一側導電部510與第二側導電部520皆為梯形、兩者皆自水平磁阻層400的一側朝向另一側延伸超過水平磁阻層400的一半寬度、且兩者沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)交錯配置，但圖9B中的第一側導電部510與第二側導電部520皆為較小的平行四邊形、兩者皆自水平磁阻層400的一側朝向另一側延伸未超過水平磁阻層400的一半寬度、且兩者沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)以對稱方式配置。

由於上述之差異，當Z軸磁阻感測元件1500運作時，電流不再是從第一側導電部510流向第二側導電部520或從第二側導電部520流向第一側導電部510。由於第一側導電部510與第二側導電部520間過大的距離加上在此間距處之磁阻材料的高電阻率，因此在第一側導電部510與水平磁阻層400實體接觸之處，電流路徑為電阻率較小的第一側導電部510，然而在水平磁阻層400中(即相鄰的第一側導電部510之間)相鄰第一側導電部510間的最短路徑為電流(I’)的導通方向；水平磁阻層400與第一側導電部510構成至少一電流路徑(水平磁阻層400懲第一側導電部510懲第一側導電部510間的水平磁阻層400懲下一第一側導電部510….)。同理，在相鄰之第二側導電部520間的水平磁阻層400中，相鄰第二側導電部520間的最短路徑為電流(I)的導通方向；水平磁阻層400與第二側導電部520構成至少一電流路徑(水平磁阻層400懲第二側導電部520懲第二側導電部520間的水平磁阻層400懲下一第二側導電部520….)。當第一側導電部510與第二側導電部520之形狀、大小、配置間距皆相同時，電流I的導通方向與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間的夾角會等於電流I’之導通方向與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間的夾角。夾角的數值取決於平行四邊形之對邊的斜度。

圖9C中之Z軸磁阻感測元件1600與Z軸磁阻感測元件1200之差異有數點。圖3中的第一側導電部510與第二側導電部520皆為梯形且電流係自一側導電部的腰部流向相鄰另一側導電部的腰部，且每一導電部510/520係與對應的磁場感應層300/350部分交疊。但在圖9C中，第一側導電部510與第二側導電部520皆為斜置長條形且電流係自一側導電部的指向前端流向相鄰另一側導電部的根部末端，且每一導電部510/520係與對應的磁場感應層300/350完全交疊。當第一側導電部510與第二側導電部520之形狀、大小、配置間距皆相同時，電流I之導通方向與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間的夾角會等於電流I’之導通方向與水平磁阻層400的長度延伸方向(Y方向)間的夾角。夾角的數值取決於導電部斜置的角度。

在前面的眾多實施例中，由於在Z軸磁阻感測元件1000與1100中相鄰導電部500間的電流i的導通方向皆依循著單一方向，因此Z軸磁阻感測元件1000與1100不只會對Z軸方向的磁場產生輸出變化，其也會對X軸方向的磁場產生輸出變化，所以必須以電路設計的方式組合不同位向的Z軸磁阻感測元件1000/1100或增加額外的電路來構成Z軸磁阻感測裝置，使得此Z軸磁阻感測裝置只會對Z軸方向的磁場產生輸出變化但卻不受X軸方向的磁場的影響。

由於在Z軸磁阻感測元件1200、1300、1400、1500、1600中，相鄰導電部(除了1500外，皆為第一側導電部與第二側導電路；但在1500的情況下，相鄰的第一側導電部及相鄰的第二側導電路)間之電流分為兩個導通方向(I與I’)，且這兩個電流的導通方向對稱於水平磁阻層400的長度延伸方向，因此當外在對此些Z軸磁阻感測元件加諸X軸方向的磁場時，磁通量係從水平磁阻層400的一側指向另一側，兩個方向之電流所構成的影響互相抵消，使得Z軸磁阻感測元件的輸出變化趨近為零。當外在對此些Z軸磁阻感測元件加諸Z軸方向的磁場時，磁通量具有兩個方向(從水平磁阻層400的第一側指向第二側者以及從水平磁阻層400的第二側指向第一側者)，兩個方向的磁通量以及兩個方向的電流相互搭配之下，使得Z軸磁阻感測元件的輸出產生變化。故Z軸磁阻感測元件1200、1300、1400、1500、1600可單獨使用便達到感測Z軸磁場的效果。

現參考圖10A-10B，其顯示根據本發明實施例之Z軸磁阻感測裝置，此裝置包含由本發明實施例之Z軸磁阻感測元件所組成的電橋配置。

圖10A的Z軸磁阻感測裝置具有惠斯頓電橋結構，此電橋結構具有四隻電阻臂(右上電阻臂、右下電阻臂、左上電阻臂、左下電阻臂)，每一電阻臂的最小單位為一個Z軸磁阻感測元件1400。雖然在圖中每一電阻臂只包含一個Z軸磁阻感測元件1400，但每一電阻臂亦可由複數Z軸磁阻感測部1400以內連線串聯構成。又，電阻臂中的Z軸磁阻感測元件1400可被替換為1200、1300、1500、1600中的任一者或其變化型而無損於此電橋結構的運作。右上電阻臂的上端藉由內連線連接至工作電壓Vcc，右上電阻臂的下端藉由內連線和右下電阻臂的上端電連接而將兩臂之間的電位定義為第二電壓V2。右下電阻臂的下端藉由內連線接地。左上電阻臂的上端藉由內連線連接至工作電壓Vcc，左上電阻臂的下端藉由內連線和左下電阻臂的上端電連接而將兩臂之間的電位定義為第一電壓V1。左下電阻臂的下端藉由內連線接地。在使用電橋結構前可選擇性地將利用一設定/重設定（SET/RESET）電路使四隻電阻臂中之水平磁阻層400的磁化方向調整到設定的方位(在本例中為方向M，即Y方向)。當電橋結構中的磁場感應層300/350感受到Z軸方向的磁場時，電橋結構中的電阻臂的電阻值產生變化以回應此影響磁場的影響，導致第一電壓V1與第二電壓V2間的壓差變化。

圖10B的Z軸磁阻感測裝置亦具有惠斯頓電橋結構，但不同於圖10A中的電橋結構使用四個完全相同的Z軸磁阻感測元件，圖10B中的電橋結構使用了一對Z軸磁阻感測元件1000以及一對Z軸磁阻感測元件1000’，以抵消X軸方向之磁場對其影響。Z軸磁阻感測元件1000與1000’之差異在於，元件1000的磁場感應層300係位於水平磁阻層400的第一側但元件1000’的磁場感應層卻係位於水平磁阻層400的第二側。然而，為了達到惠斯頓電橋運作的目的，可適當調整圖10B中磁場感應層300的位向(位於左側或右側)或導電條的延伸方向（左上右下或左下右上）。由於圖10B的電橋結構類似於圖10A的電橋結構(各臂之連接關係)，在此便不再贅述。

下面的表1與表2將以表列的方式呈現出，當圖10A與10B中之電橋結構受到+X方向(定義為由水平磁阻層400之第二側指向第一側的方向，同理，-X方向被定義為由水平磁阻層400之第一側指向第二側的方向)及+Z方向(定義為由基板表面指向水平磁阻層400的方向，同理，-Z方向被定義為由水平磁阻層400指向基板表面的方向)之磁場時，電橋結構中的左上臂、左下臂、右上臂、右下臂的狀態。

表1：外加+X方向之磁場時圖10A與10B中之電橋結構的各臂反應與輸出

表2：外加+Z方向之磁場時圖10A與10B中之電橋結構的各臂反應與輸出

雖然在表1與表2中未呈現出絕對的數值變化，但值得一提的是，當受到相同的+Z方向外加磁場時，10A之電橋結構的電壓輸出變化大於10B之電橋結構的電壓輸出變化。這意味著10A之電橋結構比10B之電橋結構更靈敏。

雖然圖10A與10B顯示了根據本發明實施例之磁感測裝置，但應瞭解，磁阻感測元件係為能偵測磁場變化的元件，其不一定要採用惠斯頓電橋結構。又，本發明具有不平行於基板表面的磁場感應層，只要其可以感應垂直於基板表面的Z軸磁場，其形狀不限定為薄板形，其可以是任何立體結構的直立部分如圓筒或方形溝槽的部分側壁，若其與可感應平行於基板表面之X/Y軸磁場的磁阻感測元件整合在同一晶片中，可大幅減少封裝難度及感測器成品的體積。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．基板

300．．．第一側之非水平之磁場感應層(向下延伸)

300’．．．第一側之非水平之磁場感應層(向上延伸)

310．．．第一側下溝槽中的連接磁阻層

320．．．第一側下溝槽中的對向磁阻層

350．．．第二側之非水平之磁場感應層

360．．．第二側下溝槽中的連接磁阻層

370．．．第二側下溝槽中的對向磁阻層

400．．．水平磁阻層

500．．．導電條(位於下方)

500’．．．導電條(位於上方)

510．．．第一側導電部(位於下方)

510’．．．第一側導電部(位於上方)

520．．．第二側導電部

600．．．介電層

710．．．第一側之磁通量集中結構

720．．．第二側之磁通量集中結構

740．．．第一側之非水平之磁場導引層

750．．．第一側上溝槽中的對向磁阻層

760．．．第二側之非水平之磁場導引層

770．．．第二側上溝槽中的對向磁阻層

1000．．．磁阻感測元件

1000’．．．磁阻感測元件

1100．．．磁阻感測元件

1200．．．磁阻感測元件

1300．．．磁阻感測元件

1400．．．磁阻感測元件

1500．．．磁阻感測元件

1600．．．磁阻感測元件

i．．．電流

I．．．電流

I’．．．電流

θ．．．水平磁阻層之長度延伸方向與電流i之導通方向間的夾角

ω．．．水平磁阻層之長度延伸方向與電流I/I’之導通方向間的夾角

圖1顯示根據本發明一實施例之Z軸磁阻感測元件的立體圖。

圖2顯示根據本發明另一實施例之Z軸磁阻感測元件的的立體圖。

圖3顯示根據本發明另一實施例之Z軸磁阻感測元件的立體圖。

圖3A顯示圖3之Z軸磁阻感測元件的上視圖。

圖4顯示分別沿著圖1、圖2與圖3中之A-A’、B-B’與D-D’切線所獲得之橫剖面的示意圖。

圖4A顯示圖4中之橫剖面的另一實施例。

圖4B顯示圖4中之橫剖面的更另一實施例。

圖5顯示沿著圖3中之C-C’切線所獲得之橫剖面的示意圖。

圖6顯示根據本發明更另一實施例之Z軸磁阻感測元件的立體圖。

圖7A顯示沿著圖6中之E-E’切線所獲得之橫剖面的示意圖。

圖7B顯示沿著圖6中之F-F’切線所獲得之橫剖面的示意圖。

圖8A顯示圖7A之橫剖面的另一實施例。

圖8B顯示圖7B之橫剖面的另一實施例。

圖9A-9C顯示根據本發明其他實施例之Z軸磁阻感測元件的平面圖。

圖10A-10B顯示根據本發明實施例之Z軸磁阻感測裝置，此裝置包含由本發明實施例之Z軸磁阻感測元件所組成的電橋配置。

300．．．第一側之非水平之磁場感應層

310．．．第一側下溝槽中的連接磁阻層

320．．．第一側下溝槽中的對向磁阻層

350．．．第二側之非水平之磁場感應層

360．．．第二側下溝槽中的連接磁阻層

370．．．第二側下溝槽中的對向磁阻層

400．．．水平磁阻層

510．．．第一側導電部

520．．．第二側導電部

Claims (30)

1. 一種磁阻感測元件，包含：
   一長形之水平磁阻層，位於一基板之表面上方，沿著其長度延伸方向具有第一側以及與該第一側相對的第二側；
   一導電部，在該水平磁阻層的上方或下方與其電耦合，該長形之水平磁阻層與該導電部構成至少一電流路徑；
   一第一磁場感應層，不平行於該基板表面，在該水平磁阻層的該第一側處與該水平磁阻層磁性耦合。
2. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該水平磁阻層與該磁場感應層包含異向性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance,AMR）材料。
3. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該水平磁阻層與該磁場感應層之電阻值會隨外在磁場變化而改變，其包含鐵磁材料（ferromagnet）、反鐵磁材料（antiferromagnet）、非鐵磁性金屬材料、穿隧氧化物材料（tunneling oxide）之一或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該導電部包含複數長形導電條，此些複數長形導電條的長度延伸方向皆與該水平磁阻層的長度延伸方向夾一相等之銳角。
5. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該第一磁場感應層係自該水平磁阻層的該第一側向上或向下延伸。
6. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該第一磁場感應層可為長條形或包含複數離散子部。
7. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，其中該導電部包含自該水平磁阻層之該第一側朝向該第二側延伸的複數第一側導電部以及自該水平磁阻層之該第二側朝向該第一側延伸的複數第二側導電部。
8. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，更包含：第二磁場感應層，自該水平磁阻層的該第二側向上或向下延伸，且與並與該水平磁阻層磁性耦合。
9. 如申請專利範圍第7項之磁阻感測元件，更包含該第一磁場感應層係位於該水平磁阻層的該第一側，且包含複數離散子部，該複數離散子部的每一者皆由該水平磁阻層的該第一側向上或向下延伸；及不平行於該基板表面之第二磁場感應層，位於該水平磁阻層的該第二側處與該水平磁阻層磁性耦合，該第二磁場感應層且包含複數離散子部，該複數離散子部的每一者皆由該水平磁阻層的該第二側向上或向下延伸。
10. 如申請專利範圍第9項之磁阻感測元件，更包含：該第一磁場感應層的該複數離散子部與該第二磁場感應層的該複數離散子部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯方式配置。
11. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，更包含：
    第三磁場感應層，不平行於該基板表面，位於該水平磁阻層的上方與該水平磁阻層磁性耦合。
12. 如申請專利範圍第9項之磁阻感測元件，其中該第一磁場感應層的該複數離散子部與對應之該複數第一側導電部在第一側上至少部分交疊，且該第二磁場感應層的該複數離散子部與對應之該複數第二側導電部在第二側上至少部分交疊。
13. 如申請專利範圍第9項之磁阻感測元件，其中該複數的第一側導電部與該複數的第二側導電部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯或對稱方式配置。
14. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，更包含：至少一第一磁通量集中結構。
15. 如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件，更包含至少一第一磁通量集中結構且該第一磁場感應層更包含複數離散子部，其中該至少一第一磁通量集中結構，沿著該水平磁阻層的長度延伸方向與該第一磁場感應層的該至少一複數離散子部交替配置，且該至少一第一磁通量集中結構自該水平磁阻層的該第一側處向上延伸並與該水平磁阻層磁性耦合。
16. 如申請專利範圍第14項之磁阻感測元件，其中該至少一第一磁通量集中結構可為溝槽側壁上之磁性層的形式或具有大塊磁性塊材的形式。
17. 如申請專利範圍第7項之磁阻感測元件，其中在該水平磁阻層中由該第一側導電部流向相鄰該第二側導電部的電流具有第一導通方向，且由該第二側導電部流向相鄰該第一側導電部的電流具有第二導通方向，該第一導通方向不平行於該第二導通方向。
18. 如申請專利範圍第17項之磁阻感測元件，其中該第一導通方向與該水平磁阻層的長度延伸方向之間的銳夾角等於該第二導通方向與該水平磁阻層的長度延伸方向之間的銳夾角。
19. 如申請專利範圍第7項之磁阻感測元件，其中在該水平磁阻層中由該第一側導電部流向相鄰該第一側導電部的電流具有第一導通方向且由該第二側導電部流向相鄰該第二側導電部的電流具有第二導通方向，該第一導通方向不平行於該第二導通方向。
20. 如申請專利範圍第19項之磁阻感測元件，其中該第一方向與該水平磁阻層的長度延伸方向之間的銳夾角等於該第二方向與該水平磁阻層的長度延伸方向之間的銳夾角。
21. 一種磁阻感測裝置，包含一惠斯頓電橋的配置，此惠斯頓電橋具有四隻電阻臂，每一隻該電阻臂包含如申請專利範圍第1項之磁阻感測元件。
22. 如申請專利範圍第21項之磁阻感測裝置，其中該磁阻感測元件的該導電部具有自該水平磁阻層之該第一側朝向該第二側延伸的複數第一側導電部與自該水平磁阻層之該第二側朝向該第一側延伸的複數第二側導電部。
23. 如申請專利範圍第22項之磁阻感測裝置，更包含第一磁場感應層係位於該水平磁阻層的該第一側與該水平磁阻層磁性耦合，該第一磁場感應層且包含複數離散子部，該複數離散子部的每一者皆由該水平磁阻層的該第一側向上或向下延伸；及第二磁場感應層，位於該水平磁阻層的該第二側處與該水平磁阻層磁性耦合，該第二磁場感應層且包含複數離散子部，該複數離散子部的每一者皆由該水平磁阻層的該第二側向上或向下延伸。
24. 如申請專利範圍第23項之磁阻感測裝置，其中該第一磁場感應層具有複數離散子部且該第二磁場感應層具有複數離散子部，該第一磁場感應層的複數離散子部與該第二磁場感應層的複數離散子部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯或對稱方式配置。
25. 如申請專利範圍第22項之磁阻感測裝置，該複數第一側導電部與該複數第二側導電部係沿著該水平磁阻層的長度延伸方向以交錯方式或對稱方式配置。
26. 如申請專利範圍第21項之磁阻感測裝置，其中兩隻該電阻臂包含相同的第一磁阻感測元件而剩下的兩隻電阻臂包含相同的第二磁阻感測元件。
27. 如申請專利範圍第26項之磁阻感測裝置，其中該第一磁阻感測元件與該第二磁阻感測元件的該導電部包含複數長形導電條，所有此複數長形導電條的長度延伸方向與該水平磁阻層的長度延伸方向夾一銳角。
28. 如申請專利範圍第27項之磁阻感測裝置，其中該第一磁阻感測元件的該第一磁場感應層在該水平磁阻層的該第一側處與該水平磁阻層磁性耦合，但該第二磁阻感測元件的該第一磁場感應層在該水平磁阻層的該第二側處與該水平磁阻層磁性耦合。
29. 如申請專利範圍第22項之磁阻感測裝置，當外加磁場之方向平行於該基板表面時，此磁阻感測裝置的輸出不變。
30. 如申請專利範圍第22項之磁阻感測裝置，當外加磁場之方向垂直於該基板表面時，此磁阻感測裝置的輸出改變。