TW201818050A - 磁場感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種磁場感測裝置，包括磁場感測軸平行於第一方向的多個第一磁電阻單元、磁場感測軸平行於第二方向的多個第二磁電阻單元及用以量測第三方向的磁場分量的磁感測元件。這些第一與第二磁電阻單元配置於磁感測元件旁，並且在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向與第五方向的磁場分量，並使這種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號，第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向為第一方向與第二方向的和向量方向，第五方向為第一方向與第二方向的差向量方向。

Description

磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置，且特別是有關於一種可偵測三個維度磁場的磁場感測裝置。

隨著可攜式電子裝置的普及，能夠感應地磁方向的電子羅盤之技術便受到重視。當電子羅盤應用於體積小的可攜式電子裝置（如智慧型手機）時，電子羅盤除了需符合體積小的需求之外，最好還能夠達到三軸的感測，這是因為使用者以手握持手機時，有可能是傾斜地握持，且各種不同的握持角度也都可能產生。此外，電子羅盤亦可應用於無人機（drone）（例如遙控飛機、遙控直升機等）上，而此時電子羅盤亦最好能夠達到三軸的感測。

在習知技術中，一般常利用異向性磁電阻（Anisotropic Magneto-Resistive resistor, AMR resistor）並透過惠斯登電橋（Wheatstone bridge）架構來進行磁場的感測動作，但是習知技術的磁場感測裝置常需要較大的布局面積，造成生產成本的增加。

本發明的實施例提供一種磁場感測裝置，包括多個第一磁電阻單元、多個第二磁電阻單元及磁感測元件。這些第一磁電阻單元的磁場感測軸平行於第一方向，這些第二磁電阻單元的磁場感測軸平行於第二方向。磁感測元件用以量測第三方向的磁場分量，其中這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元配置於磁感測元件旁，其中，這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向與第五方向的磁場分量，並使此至少一種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號，第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向為第一方向與第二方向的和向量方向，第五方向為第一方向與第二方向的差向量方向。

在本發明的一實施例中，上述的在二個不同時間的任一個時，此至少一種惠斯登全橋所輸出的訊號為對應於第四方向及第五方向的其中一個方向的磁場分量的差分訊號，此時此至少一種惠斯登全橋所產生的對應於第四方向及第五方向中的另一個方向的磁場分量的差分訊號為零。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元分別配置在磁感測元件的相鄰兩側。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置還包括多個磁化方向設定元件，分別配置於這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元旁，以分別設定這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元的磁化方向。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置更包括基板，其中磁感測元件、這些第一磁電阻單元、這些第二磁電阻單元與這些磁化方向設定元件配置於基板的表面上，而且這些第一磁電阻單元、這些第二磁電阻單元與這些磁化方向設定元件覆蓋在表面的面積與磁感測元件覆蓋在表面的面積相互分開。

在本發明的一實施例中，上述的此至少一種惠斯登全橋為一個固定不變的惠斯登全橋的連接方式，這些磁化方向設定元件在二個不同時間分別將這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元的磁化方向設定成二種不同的組合，以使此種惠斯登全橋在二個不同時間分別量測第四方向及第五方向的磁場分量，並分別輸出對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻單元中的每一個包括多個第一磁電阻，這些第一磁電阻中的一部分與另一部分分別具有相反的磁化方向，以及這些第二磁電阻單元中的每一個包括多個第二磁電阻，這些第二磁電阻中的一部分與另一部分分別具有相反的磁化方向。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互背向對方，這些第二磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方，這些第二磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻與這些第二磁電阻為具有延伸方向的異向性磁電阻，這些第一磁電阻與這些第二磁電阻的表面各自具有相對於延伸方向傾斜延伸的多個短路棒，其中在這些第一磁電阻與這些第二磁電阻中磁化方向相同的部分磁電阻表面上的這些短路棒的傾斜方向彼此相反。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置更包括一切換電路，電性連接這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元，其中至少一種惠斯登全橋為二種惠斯登全橋，切換電路在二個不同時間分別將這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元電性連接成二種惠斯登全橋，二種惠斯登全橋分別量測第四方向及第五方向的磁場分量，並分別輸出對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元中的每一個包括至少一異向性磁電阻。

在本發明的一實施例中，上述屬於這些第一磁電阻單元中的異向性磁電阻的延伸方向平行於第二方向，屬於這些第二磁電阻單元中的異向性磁電阻的延伸方向平行於第一方向。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置更包括一基板，其中磁感測元件、這些第一磁電阻單元與這些第二磁電阻單元配置於基板的表面上，且第一方向與第二方向平行於表面，第三方向垂直於表面。

在本發明的一實施例中，上述的基板為半導體基板、玻璃基板或電路基板。

在本發明的一實施例中，上述的第一方向、第二方向及第三方向彼此互相垂直，並且第四方向垂直於第五方向，第四方向與第一方向及第二方向均夾45度。

基於上述，本發明實施例的磁場感測裝置，採用磁場感測軸平行於第一方向的多個第一磁電阻單元、磁場感測軸平行於第二方向的多個第二磁電阻單元以及磁感測元件。磁感測元件用以量測第三方向的磁場分量，而這些第一與第二磁電阻單元配置於磁感測元件旁，並且在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向與第五方向的磁場分量，並使這種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號，其中第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向為第一方向與第二方向的和向量方向，第五方向為第一方向與第二方向的差向量方向。因此，本發明的實施例的磁場感測裝置便能夠具有簡化的結構且同時能實現三維的磁場量測，進而可以具有較小的體積，達到增加應用上的彈性以及降低製作成本的優點。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A與圖1B為本發明一實施例的磁場感測裝置的概要示意圖。圖1A為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖，而圖1B為圖1A之磁場感測裝置沿著A-A線的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的磁場感測裝置100包括多個第一磁電阻單元110，多個第二磁電阻單元120，多個磁化方向設定元件130，以及磁感測元件210。

在本實施例中，這些第一磁電阻單元110、這些第二磁電阻單元120、這些磁化方向設定元件130與磁感測元件210配置在基板150的表面S上，其中第一磁電阻單元110的磁場感測軸平行於第一方向D1，可感應在第一方向D1上的磁場分量，第二磁電阻單元120的磁場感測軸平行於第二方向D2，可感應在第二方向D2上的磁場分量。這些第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120分別配置在磁感測元件210旁，以圖1A所例，第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120分別配置在磁感測元件210的相鄰兩側邊212、214。

磁化方向設定元件130分別配置在第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120旁邊，以分別設定第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120的磁化方向。磁化方向設定元件130可以選擇配置在第一磁電阻單元110或第二磁電阻單元120旁邊、上方、下方或是上述位置的組合，本發明對此不加以限制。

在其他實施例中，磁化方向設定元件130也可以選擇不配置在基板150的表面S上，而在是基板150中，本領域具有通常知識者可依據實際需求與設計作適當變化，本發明對此並不加以限制。基板150例如為半導體基板（如矽基板）、玻璃基板或電路基板，其中電路基板例如為設有導電線路且表面覆蓋有絕緣層的矽基板，本發明對此並不限制，本領域具有通常知識者可依據習知技術作適當選擇。

磁感測元件210是用以量測第三方向D3的磁場分量，第三方向D3則例如是垂直表面S的方向。在本實施例中，第一方向D1與第二方向D2是平行於表面S的方向，且第一方向D1、第二方向D2與第三方向D3彼此互相垂直，如圖1A與圖1B所示的直角座標系。

在本實施例中，磁感測元件210例如是由異向性磁電阻（anisotropic Magneto-Resistive resistor, AMR resistor）、巨磁阻（giant magnetoresistance, GMR）多層膜結構（或穿隧磁阻（tunneling magnetoresistance, TMR）多層膜結構）或是霍爾元件（Hall element）等具有類似功能的磁感測元件或是上述組合所構成，本發明對此並不限制。此外，圖式中磁感測元件210的形狀跟尺寸僅作為示例，本發明對此並不加以限制。

此外，在本實施例中，第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120分別包括至少一異向性磁電阻。圖2A與圖2B是用以說明圖1A中的異向性磁電阻的運作原理。請先參照圖2A，異向性磁電阻300具有理髮店招牌（barber pole）狀結構，亦即其表面設有相對於異向性磁電阻300的延伸方向D傾斜45度延伸的多個短路棒（electrical shorting bar）310，這些短路棒310彼此相間隔且平行地設置於鐵磁膜（ferromagnetic film）320上，而鐵磁膜320為異向性磁電阻300的主體，其延伸方向即為異向性磁電阻300的延伸方向D。此外，鐵磁膜320的相對兩端可製作成尖端狀。

異向性磁電阻300在開始量測外在磁場H之前，可先藉由磁化方向設定元件130來設定其磁化方向，其中磁化方向設定元件130例如是可以藉由通電產生磁場的線圈、導線、金屬片或導體。在圖2A中，磁化方向設定元件130可藉由通電產生沿著延伸方向D的磁場，以使異向性磁電阻300具有磁化方向M。

接著，磁化方向設定元件130不通電，以使異向性磁電阻300開始量測外在磁場H。當沒有外在磁場H時，異向性磁電阻300的磁化方向M維持在延伸方向D上，此時施加一電流I，使電流I從異向性磁電阻300的左端流往右端，則短路棒310附近的電流I的流向會與短路棒310的延伸方向垂直，而使得短路棒310附近的電流I流向與磁化方向M夾45度，此時異向性磁電阻300的電阻值為R

當有一外在磁場H朝向垂直於延伸方向D的方向時，異向性磁電阻300的磁化方向M會往外在磁場H的方向偏轉，而使得磁化方向與短路棒附近的電流I流向的夾角大於45度，此時異向性磁電阻300的電阻值有-ΔR的變化，即成為R-ΔR，也就是電阻值變小，其中ΔR大於0。

然而，若如圖2B所示，當圖2B的短路棒310的延伸方向設於與圖2A的短路棒310的延伸方向夾90度的方向時（此時圖2B的短路棒310的延伸方向仍與異向性磁電阻300的延伸方向D夾45度），且當有一外在磁場H時，此外在磁場H仍會使磁化方向M往外在磁場H的方向偏轉，此時磁化方向M與短路棒310附近的電流I流向的夾角會小於45度，如此異向性磁電阻300的電阻值會變成R+ΔR，亦即異向性磁電阻300的電阻值變大。

此外，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁電阻300的磁化方向M設定為圖2A所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖2A的異向性磁電阻300的電阻值會變成R+ΔR。再者，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁電阻300的磁化方向M設定為圖2B所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖2B的異向性磁電阻300的電阻值會變成R-ΔR。

綜合上述可知，當短路棒310的設置方向改變時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之，且當磁化方向設定元件130所設定的磁化方向M改變成反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之。當外在磁場H的方向變為反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+ΔR變為-ΔR或反之。然而，當通過異向性磁電阻300的電流I變成反向時，異向性磁電阻300的電阻值R對應於外在磁場H的變化則維持與原來相同正負號，即原本若為+ΔR，改變電流方向後仍為+ΔR，若原本為-ΔR，改變電流方向後仍為-ΔR。

依照上述的原則，便可藉由設計短路棒310的延伸方向D或磁化方向設定元件130所設定的磁化方向M來決定當異向性磁電阻300受到外在磁場H的某一分量時，異向性磁電阻300的電阻值R的變化方向，即電阻值R變大或變小，例如變化量是+ΔR或-ΔR。

請參照圖3A至圖4B，圖3A與圖4A分別繪示本發明一實施例在不同時間的磁場感測裝置的示意圖。在本實施例中的磁場感測裝置100’中，這些磁電阻單元（包括第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120）在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋（在本實施例中例如是圖3A至圖3C的第一種惠斯登全橋及圖4A至圖4C的第二種惠斯登全橋），以分別量測二個不同方向（即第四方向D4及第五方向D5）的磁場分量，並使此至少一種惠斯登全橋（例如是前述二種惠斯登全橋）輸出分別對應於二個不同方向（如第四方向D4及第五方向D5）的磁場分量的二個訊號。

在本實施例中，第一方向D1、第二方向D2、第三方向D3、第四方向D4及第五方向D5彼此不同，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3彼此互相垂直，第四方向D4為第一方向D1與第二方向D2的和向量方向，第五方向D5為第一方向D1與第二方向D2的差向量方向。具體來說，第一方向D1與第二方向D2平行於表面S，第三方向D3垂直表面S，第四方向D4與第五方向D5也平行於表面S，並且第四方向D4垂直於第五方向D5，第四方向D4與第一方向D1及第二方向D2均夾45度角，第五方向D5與第二方向D2夾45度角，並且與第一方向D1的反向方向夾45度角。在其他實施例中，上述三個不同方向D1、D2、D3並不一定要彼此互相垂直，也可以有至少兩個方向彼此不垂直。

具體來說，在本實施例中，這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120中的每一個包括至少一異向性磁電阻。第一磁感測單元110中包括多個具有電阻值R的第一磁電阻112、114、116、118。第二磁感測單元120中包括多個具有電阻值R的第二磁電阻122、124、126、128。上述的這些第一磁電阻112、114、116、118與這些第二磁電阻122、124、126、128例如是圖2A與圖2B所示的具有延伸方向D的異向性磁電阻300或是多個異向性磁電阻300的組合，這些異向性磁電阻300的表面各自具有相對於延伸方向D傾斜延伸的多個短路棒310。

屬於第一磁電阻單元110的異向性磁電阻300的延伸方向D可以平行於第二方向D2，或是平行於磁感測元件210的側面212，且平行於表面S。屬於第二磁電阻單元120中的異向性磁電阻300的延伸方向D可以平行於第一方向D1，或是平行於磁感測元件210的側面214，且也平行於表面S。

上述這些第一磁電阻112、114、116、118與第二磁電阻122、124、126、128之間可以利用導線連接異向性磁電阻300的尖端以產生電性連接。

磁化方向設定元件132覆蓋第一磁電阻112、114，磁化方向設定元件134覆蓋第一磁電阻116、118，以分別設定第一磁電阻112、114與第一磁電阻116、118的磁化方向，磁化方向設定元件136覆蓋第二磁電阻122、124以設定第二磁電阻122、124的磁化方向，磁化方向設定元件138覆蓋第二磁電阻126、128以設定第二磁電阻126、128的磁化方向。其中，這些第一磁電阻112、114、116、118與這些第二磁電阻122、124、126、128中被磁化方向設定元件130設定成相同磁化方向的部分磁電阻表面上的這些短路棒310的傾斜方向彼此相反。

需注意的是，這些第一磁電阻單元110、這些第二磁電阻單元120與這些磁化方向設定元件130覆蓋在表面S的面積與磁感測元件210覆蓋在表面S的面積相互分開。也就是說磁感測元件210在表面S的所覆蓋的面積與第一磁電阻單元110、第二磁電阻單元120及磁化方向設定元件130在表面S的所覆蓋的面積均不重疊。

本實施例中，上述的至少一種惠斯登全橋在二個不同時間其中一個時（例如第一個時間或第二個時間）為一個固定不變的惠斯登全橋的連接方式，這些磁化方向設定元件130在上述二個不同時間分別將這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120的磁化方向設定成二種不同的組合（例如是圖3A至圖3C的第一種惠斯登全橋及圖4A至圖4C的第二種惠斯登全橋），以使這種惠斯登全橋在二個不同時間分別量測第四方向D4及第五方向D5的磁場分量，並分別輸出對應於第四方向D4及第五方向D5的磁場分量的二個訊號。詳細的實施方式說明如下。

在上述的二個不同時間中的第一個時間時，請參照圖3A，圖3A繪示本發明一實施例在第一個時間時的一種惠斯登全橋所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。第一磁電阻112、114被磁化方向設定元件132設定為磁化方向指向第二方向D2的正向方向，第一磁電阻116、118被磁化方向設定元件134設定為磁化方向指向第二方向D2的反向方向，也就是說這些第一磁電阻中的一部分（第一磁電阻112、114）與另一部分（第一磁電阻116、118）的磁化方向被設定為相互背向對方。第二磁電阻122、124被磁化方向設定元件136設定為磁化方向指向第一方向D1的正向方向，第二磁電阻126、128被磁化方向設定元件138設定為磁化方向指向第一方向D1的反向方向，也就是說這些第二磁電阻中的一部分（第二磁電阻122、124）與另一部分（第二磁電阻126、128）的磁化方向被設定為相互指向對方。

具有相同磁化方向（同樣被磁化方向設定元件132所覆蓋）但屬於不同的第一磁電阻單元110的第一磁電阻112與第一磁電阻114表面上的短路棒310的傾斜方向彼此相反，具有相同磁化方向（同樣被磁化方向設定元件134所覆蓋）但分屬於不同的第一磁電阻單元110的第一磁電阻116與第一磁電阻118表面上的短路棒310的傾斜方向也彼此相反。具有相同磁化方向（同樣被磁化方向設定元件136所覆蓋）但分屬於不同的第二磁電阻單元120的第二磁電阻122與第二磁電阻124表面上的短路棒310的傾斜方向彼此相反，具有相同磁化方向（同樣被磁化方向設定元件138所覆蓋）但分屬於不同的第二磁電阻單元120的第二磁電阻126與第二磁電阻128表面上的短路棒310的傾斜方向也彼此相反。

特別說明的是，屬於同一個第一磁電阻單元110的第一磁電阻112、116其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的傾斜方向也不相同，屬於同一個第一磁電阻單元110的第一磁電阻114、118其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的傾斜方向也不相同。類似的，屬於同一個第二磁電阻單元120的第二磁電阻122、126其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的傾斜方向也不相同，屬於同一個第二磁電阻單元120的第二磁電阻124、128其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的傾斜方向也不相同。但這些第一磁電阻112、114、116與118中一部分與另一部分具有相反的磁化方向，這些第二磁電阻122、124、126與128中一部分與另一部分也具有相反的磁化方向。

當外在施加磁場是在第四方向D4上，第一磁電阻112、116感應到在第一方向D1上的磁場分量而分別產生+ΔR的電阻值變化，第一磁電阻114、118感應到在第一方向D1上的磁場分量而分別產生-ΔR的電阻值變化，另一方面，第二磁電阻124、128感應到在第二方向D2上的磁場分量而分別產生+ΔR的電阻值變化，而第二磁電阻122、126感應到在第二方向D2上的磁場分量而分別產生-ΔR的電阻值變化。

請參照圖3B，圖3B為圖3A的實施例的磁場感測裝置在量測第四方向的磁場分量時的等效電路圖。由於如圖3A相關段落所描述的設置方式（包括短路棒310的設置方向、第一磁電阻單元110及第二磁電阻單元120的初始磁化方向的設定方向），接點P1與接點P3、P4之間分別具有+2ΔR及-2ΔR的電阻值變化，接點P2與接點P3、P4之間分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，上述的接點P1、P2、P3、P4例如是電極。如此一來，對接點P1與P2施加一電壓差時，例如接點P1接收參考電壓VDD，接點P2耦接至地（ground）（或是接點P1與接點P2相反），接點P3的電壓值V1與接點P4的電壓值V2之間的電壓差可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於在第四方向D4上的磁場分量的大小。因此，藉由得知輸出訊號的大小，便能夠推知在第四方向D4上磁場分量的大小。

在另一實施例中，也可以是接點P3接收參考電壓VDD，接點P4耦接至地（ground）（或是相反），而依據接點P1的電壓值與接點P2的電壓值之間的電壓差輸出訊號。

請參照圖3C，圖3C為圖3A的實施例的磁場感測裝置在量測第五方向的磁場分量時的等效電路圖。依照圖3A所述的磁場感測裝置100’的設置方式，當外在施加磁場是在第五方向D5上，第一磁電阻112、116感應到在第一方向D1的相反方向上的磁場分量而分別產生-ΔR的電阻值變化，第一磁電阻114、118感應到在第一方向D1的相反方向上的磁場分量而分別產生+ΔR的電阻值變化，另一方面，第二磁電阻124、128感應到在第二方向D2上的磁場分量而分別產生+ΔR的電阻值變化，而第二磁電阻122、126感應到在第二方向D2上的磁場分量而分別產生-ΔR的電阻值變化。也就是說接點P1與接點P3、P4之間分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，接點P2與接點P3、P4之間的電阻值變化則不變，依舊分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，因此接點P3與P4之間輸出對應於第五方向D5的磁場分量的差分訊號為0。

在二個不同時間中的第二個時間時，請參照圖4A，圖4A繪示本發明一實施例在第二個時間時的一種惠斯登全橋所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。可參照圖3A的相關段落說明，磁場感測裝置100’的短路棒設置方向保持不變，但改變磁化方向的設置方向。第一磁電阻112、114被磁化方向設定元件132設定為磁化方向指向第二方向D2的反向方向，第一磁電阻116、118被磁化方向設定元件134設定為磁化方向指向第二方向D2，也就是說這些第一磁電阻中的一部分（第一磁電阻112、114）與另一部分（第一磁電阻116、118）的磁化方向被設定為相互指向對方。第二磁電阻122、124被磁化方向設定元件136設定為磁化方向指向第一方向D1的正向方向，第二磁電阻126、128被磁化方向設定元件138設定為磁化方向指向第一方向D1的反向方向，也就是說這些第二磁電阻中的一部分（第二磁電阻122、124）與另一部分（第二磁電阻126、128）的磁化方向被設定為相互指向對方。這些第一磁電阻112、114、116、118與這些第二磁電阻122、124、126、128中磁化方向相同的部分磁電阻表面上的這些短路棒310的傾斜方向依舊彼此相反。

請參照圖4B，圖4B為圖4A的實施例的磁場感測裝置在量測第四方向的磁場分量時的等效電路圖。由於如圖4A相關段落所描述的設置方式（包括短路棒310的設置方向、第一磁電阻單元110及第二磁電阻單元120的初始磁化方向的設定方向），接點P1與接點P3、P4之間分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，接點P2與接點P3、P4之間分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，如此一來，對接點P1與P2施加一電壓差時，例如接點P1接收參考電壓VDD，接點P2耦接至地（ground），接點P3的電壓值V1與接點P4的電壓值V2之間的輸出差分訊號為0。

請參照圖4C，圖4C為圖4A的實施例的磁場感測裝置在量測第五方向的磁場分量時的等效電路圖。由圖3A至圖4B相關段落所描述的實施方式（包括短路棒310的設置方向、第一磁電阻單元110及第二磁電阻單元120的初始磁化方向的設定方向與相關的電阻值變化），接點P1與接點P3、P4之間分別具有+2ΔR及-2ΔR的電阻值變化，接點P2與接點P3、P4之間分別具有-2ΔR及+2ΔR的電阻值變化，如此一來，對接點P1與P2施加一電壓差時，接點P3的電壓值V1與接點P4的電壓值V2之間的輸出訊號的大小會對應於在第五方向D5上的磁場分量的大小。

本實施例中的磁場感測裝置100’在上述的二個不同時間的任一個時（第一個時間與第二個時間），此至少一種惠斯登全橋（例如是圖3A至圖3C的第一種惠斯登全橋或圖4A至圖4C的第二種惠斯登全橋）所輸出的訊號為對應於第四方向D4及第五方向D5的其中一個方向的磁場分量的差分訊號，此時此至少一種惠斯登全橋所產生的對應於第四方向D4及第五方向D5中的另一個方向的磁場分量的差分訊號為零。

本實施例中的磁場感測裝置100’，在二個不同時間分別藉由改變這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120的磁化方向，將之電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向D4與第五方向D5的磁場分量，並使這種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向D4及第五方向D5的磁場分量的二個訊號，而磁感測元件210則用以量測第三方向的磁場分量。因此，本實施例的磁場感測裝置100’便能夠同時能實現三維的磁場量測且具有簡化的結構，進而可以具有較小的體積，達到增加應用上的彈性以及降低製作成本的優點。

請參照圖5A，圖5A繪示本發明另一實施例的磁場感測裝置的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。在圖5A的實施例中，還包括一切換電路160（請參照圖1B），切換電路160例如設置在基板150中，並且電性連接這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120。這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120各自形成一個惠斯登半橋結構。藉由切換接點P5、P6、P7及P8的連接關係，在二個不同時間分別將這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120電性連接成為二種惠斯登全橋，該二種惠斯登全橋分別量測第四方向D4及第五方向D5的磁場分量，並分別輸出對應於第四方向D4及第五方向D5的磁場分量的二個訊號，如圖5B至圖5E所示。上述的接點P5、P6、P7及P8例如是電極。

在二個不同時間中的第一個時間，切換電路160將接點P5連接接點P6，將接點P7連接接點P8，此時的磁場測量裝置500的相關實施方式（包括短路棒310的設置方向、第一磁電阻單元110及第二磁電阻單元120的初始磁化方向的設定方向）與電性連接方式與圖4A的實施例相似，請參照圖5B，圖5B為圖5A的實施例的磁場感測裝置在第一個時間時量測第四方向的磁場分量時的等效電路圖。此時對應於第四方向D4的所輸出的差分訊號為0。

請參照圖5C，圖5C為圖5A的實施例的磁場感測裝置在第一個時間時量測第五方向的磁場分量時的等效電路圖。感應於第五方向D5的磁場分量，圖5C的等效電路輸出對應於電壓值V1與電壓值V2之間的差分訊號，藉此量測第五方向D5的磁場分量的大小。具體的實施方式在前述的圖4A至圖4C的實施例已獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

在二個不同時間中的第二個時間，切換電路160將接點P5連接接點P8，將接點P7連接接點P6，由於短路棒310的設置方向、第一磁電阻單元110及第二磁電阻單元120的初始磁化方向的設定方向沒有改變，但是電性連接的關係改變，此時的磁場測量裝置500的等效電路請參照圖5D與圖5E。圖5D為本發明另一實施例的磁場感測裝置在第二個時間時量測第四方向的磁場分量的等效電路圖，感應第四方向D4的磁場分量而輸出對應於電壓值V1與電壓值V2之間的差分訊號，藉由此差分訊號的大小量測第四方向D4的磁場分量的大小。圖5E為本發明另一實施例的磁場感測裝置在第二個時間時量測第五方向的磁場分量的等效電路圖，此時的惠斯登全橋電路感應於第五方向D5的磁場分量所輸出的差分訊號是0。具體的實施方式在前述的圖1A至圖5B的實施例已獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

此外，在上述的實施例中，在上述二個不同時間的任一個中，由這些第一磁電阻單元110與第二磁電阻單元120電性連接成的惠斯登全橋的數量為一個。

因此在此實施例中，磁場感測裝置500，藉由切換電路160在二個不同時間分別將這些第一磁電阻單元110與這些第二磁電阻單元120電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向D4與第五方向D5的磁場分量，並使這種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向D4及第五方向D5的磁場分量的二個訊號，而磁感測元件210則用以量測第三方向的磁場分量。因此，磁場感測裝置500便能夠同時能實現三維的磁場量測且具有簡化的結構，進而可以具有較小的體積，達到增加應用上的彈性以及降低製作成本的優點。

綜上所述，本發明實施例的磁場感測裝置，採用磁場感測軸平行於第一方向的多個第一磁電阻單元、磁場感測軸平行於第二方向的多個第二磁電阻單元以及磁感測元件。磁感測元件用以量測第三方向的磁場分量，而這些第一與第二磁電阻單元配置於磁感測元件旁，並且在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測第四方向與第五方向的磁場分量，並使這種惠斯登全橋輸出分別對應於第四方向及第五方向的磁場分量的二個訊號，其中第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向為第一方向與第二方向的和向量方向，第五方向為第一方向與第二方向的差向量方向。因此，本發明的實施例的磁場感測裝置便能夠具有簡化的結構且同時能實現三維的磁場量測，進而可以具有較小的體積，達到增加應用上的彈性以及降低製作成本的優點

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100’、500‧‧‧磁場感測裝置

110‧‧‧第一磁電阻單元

112、114、116、118‧‧‧第一磁電阻

120‧‧‧第二磁電阻單元

122、124、126、128‧‧‧第二磁電阻

130、132、134、136、138‧‧‧磁化方向設定元件

150‧‧‧基板

160‧‧‧切換電路

210‧‧‧磁感測元件

212、214‧‧‧側面

300‧‧‧異向性磁電阻

310‧‧‧短路棒

320‧‧‧鐵磁膜

A-A‧‧‧線

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

D4‧‧‧第四方向

D5‧‧‧第五方向

D‧‧‧延伸方向

M‧‧‧磁化方向

I‧‧‧電流

H‧‧‧外在磁場

S‧‧‧表面

R‧‧‧電阻值

ΔR‧‧‧電阻值變化

圖1A為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。 圖1B為圖1A之磁場感測裝置沿著A-A線的剖面示意圖。 圖2A與圖2B是用以說明圖1A中的異向性磁電阻的運作原理。 圖3A繪示本發明一實施例在第一個時間時的一種惠斯登全橋所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。 圖3B為圖3A的實施例的磁場感測裝置在量測第四方向的磁場分量時的等效電路圖。 圖3C為圖3A的實施例的磁場感測裝置在量測第五方向的磁場分量時的等效電路圖。 圖4A繪示本發明一實施例在第二個時間時的一種惠斯登全橋所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。 圖4B為圖4A的實施例的磁場感測裝置在量測第四方向的磁場分量時的等效電路圖。 圖4C為圖4A的實施例的磁場感測裝置在量測第五方向的磁場分量時的等效電路圖。 圖5A繪示本發明另一實施例的磁場感測裝置的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。 圖5B與圖5C分別為圖5A的實施例的磁場感測裝置在第一個時間時量測第四方向與第五方向的磁場分量時的等效電路圖。 圖5D與圖5E分別為圖5A的實施例的磁場感測裝置在第二個時間時量測第四方向與第五方向的磁場分量的等效電路圖。

Claims (16)

1. 一種磁場感測裝置，包括： 多個第一磁電阻單元，其中該些第一磁電阻單元的磁場感測軸平行於一第一方向； 多個第二磁電阻單元，其中該些第二磁電阻單元的磁場感測軸平行於一第二方向；以及 一磁感測元件，用以量測一第三方向的磁場分量，其中該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元配置於該磁感測元件旁， 其中，該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元在二個不同時間電性連接成至少一種惠斯登全橋，以分別量測一第四方向與一第五方向的磁場分量，並使該至少一種惠斯登全橋輸出分別對應於該第四方向及該第五方向的磁場分量的二個訊號，該第一方向、該第二方向、該第三方向、該第四方向及該第五方向彼此不同，該第四方向為該第一方向與該第二方向的和向量方向，該第五方向為該第一方向與該第二方向的差向量方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中在該二個不同時間的任一個時，該至少一種惠斯登全橋所輸出的訊號為對應於該第四方向及該第五方向的其中一個方向的磁場分量的差分訊號，此時該至少一種惠斯登全橋所產生的對應於該第四方向及該第五方向中的另一個方向的磁場分量的差分訊號為零。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元分別配置在該磁感測元件的相鄰兩側。
4. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，還包括多個磁化方向設定元件，分別配置於該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元旁，以分別設定該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元的磁化方向。
5. 如申請專利範圍第4項所述的磁場感測裝置，更包括一基板，其中該磁感測元件、該些第一磁電阻單元、該些第二磁電阻單元與該些磁化方向設定元件配置於該基板的一表面上，而且該些第一磁電阻單元、該些第二磁電阻單元與該些磁化方向設定元件覆蓋在該表面的面積與該磁感測元件覆蓋在該表面的面積相互分開。
6. 如申請專利範圍第4項所述的磁場感測裝置，其中該至少一種惠斯登全橋為一個固定不變的惠斯登全橋的連接方式，該些磁化方向設定元件在該二個不同時間分別將該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元的磁化方向設定成二種不同的組合，以使該種惠斯登全橋在該二個不同時間分別量測該第四方向及該第五方向的磁場分量，並分別輸出對應於該第四方向及該第五方向的磁場分量的該二個訊號。
7. 如申請專利範圍第4項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻單元中的每一個包括多個第一磁電阻，該些第一磁電阻中的一部分與另一部分分別具有相反的磁化方向，以及該些第二磁電阻單元中的每一個包括多個第二磁電阻，該些第二磁電阻中的一部分與另一部分分別具有相反的磁化方向。
8. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互背向對方，該些第二磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方。
9. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方，該些第二磁電阻中的一部分與另一部分的磁化方向被設定為相互指向對方。
10. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻與該些第二磁電阻為具有一延伸方向的異向性磁電阻，該些第一磁電阻與該些第二磁電阻的表面各自具有相對於該延伸方向傾斜延伸的多個短路棒，其中在該些第一磁電阻與該些第二磁電阻中磁化方向相同的部分磁電阻表面上的該些短路棒的傾斜方向彼此相反。
11. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括一切換電路，電性連接該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元，其中該至少一種惠斯登全橋為二種惠斯登全橋，該切換電路在該二個不同時間分別將該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元電性連接成該二種惠斯登全橋，該二種惠斯登全橋分別量測該第四方向及該第五方向的磁場分量，並分別輸出對應於該第四方向及該第五方向的磁場分量的該二個訊號。
12. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元中的每一個包括至少一異向性磁電阻。
13. 如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中屬於該些第一磁電阻單元中的異向性磁電阻的延伸方向平行於該第二方向，屬於該些第二磁電阻單元中的異向性磁電阻的延伸方向平行於該第一方向。
14. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括一基板，其中該磁感測元件、該些第一磁電阻單元與該些第二磁電阻單元配置於該基板的一表面上，且該第一方向與該第二方向平行於該表面，該第三方向垂直於該表面。
15. 如申請專利範圍第14項所述的磁場感測裝置，其中該基板為半導體基板、玻璃基板或電路基板。
16. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該第一方向、該第二方向及該第三方向彼此互相垂直，並且該第四方向垂直於該第五方向，該第四方向與該第一方向及該第二方向均夾45度。