TWI420128B - 磁感測裝置 - Google Patents

Description

磁感測裝置

本揭示內容是有關於一種磁感測裝置，且特別是有關於一種磁阻式感測裝置的線圈結構設計。

磁阻效應(Magnetoresistance Effect,MR)是指特定磁阻材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應。由於上述特性，磁阻材料通常被應用在各種磁力或磁場的感測裝置當中，例如可用於固態羅盤定位(compassing)、金屬檢測以及位置檢測等場合。

目前以磁阻材料進行磁感測的裝置，較常見的如巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)磁感測器與異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)磁感測器等。

巨磁阻效應存在於鐵磁性(如：Fe,Co,Ni)與非鐵磁性(如：Cr,Cu,Ag,Au)所形成的多層膜系統，由於巨磁阻(GMR)感測器需要鐵磁性與非鐵磁性材料交替設置的多層膜結構，在製造上較為複雜。

異向性磁阻效應存在於鐵磁性(如：Fe,Co,Ni)材料及其合金塊材或薄膜上。異向性磁阻(AMR)感測器的磁阻變化量於異向性磁阻材料上所通過的工作電流有關。

磁阻感測器中的磁阻材料具有一磁化方向，隨著周圍環境磁場的變化，各別磁阻材料的磁化方向將相對應地改變，因此，不同的環境條件下，磁阻材料各自的初始磁化方向將有所不同。

另一方面，溫度變化亦可能導致磁阻感測器發生磁感測上的靈敏度偏差。使得磁阻感測器在高溫與低溫操作下呈現不同的感測結果。如此一來，將導致磁阻感測器的輸出結果失真。

感測器的溫度漂移可透過藉由特定線圈對磁阻感測器建立正向和反向的重置磁場，並比較在正向和反向重置磁場下的感測器輸出結果來進行補償，然而，習知的補償線圈僅有約一半的線段被用來建立同向的磁場，面積利用效率僅約50%，使得補償線圈佔去不必要的空間。此外，習知的補償線圈為單螺旋式，在寬度方向上尺寸較大，使得補償線圈佔去不必要的空間。

也就是說，習知的磁阻感測器面臨許多問題，例如測量時內部磁化方向不一以及溫度造成的感測偏差等。

為解決上述問題，本發明揭露一種磁感測裝置其包含複數個磁阻感測單元、補償線圈以及重置線圈。其中，補償線圈用以導入補償電流以建立補償磁場，以校正因外部干擾磁場引起的感測器輸出偏差。重置線圈用以導入重置電流以建立重置磁場，藉此在進行感測之前，重置磁阻感測單元的磁化方向，使磁阻感測單元的磁化方向一致，藉此確保磁感測裝置的感測精確度。此外，磁阻感測器的溫度漂移可以通過比較在正向和反向重置磁場下的感測器輸出結果來進行校正。本案的重置線圈與補償線圈的主要線段彼此垂直，藉此產生具有不同目的之兩組磁場。

本揭示內容之一態樣是在提供一種磁感測裝置，其包含基板、複數個磁阻感測單元、重置線圈以及補償線圈。磁阻感測單元分別設置於該基板上。重置線圈設置於該等磁阻感測單元上方，該重置線圈用以導入一重置電流，其中該重置電流所產生的磁場用以對磁阻感測單元的磁化方向進行重置，該重置線圈包含複數個第一主要線段。補償線圈設置於該等磁阻感測單元上方，該補償線圈用以導入一補償電流，其中該補償電流所產生的磁場用以對磁阻感測單元施加一補償磁場，該補償線圈包含複數個第二主要線段，其中該重置線圈之該等第一主要線段與該補償線圈之該等第二主要線段彼此垂直。

根據本發明內容之一實施例，該重置線圈更包含複數個連接線段，其中該等第一主要線段平行排列且彼此間留有空隙，其中每一連接線段連接於其中兩個第一主要線段的相鄰端點之間，並使該重置線圈中的該等第一主要線段以及該等連接線段連接為一螺旋狀線圈。

根據本發明內容之一實施例，其中該等第一主要線段之配置方向與該等磁阻感測單元之配置方向垂直。

根據本發明內容之一實施例，其中該重置線圈具有複數個缺口結構位於該重置線圈之轉折處。

根據本發明內容之一實施例，其中該補償線圈更包含複數個連接線段，其中該等第二主要線段平行排列且彼此間留有空隙，其中每一連接線段連接於其中兩個第二主要線段的相鄰端點之間，並使該補償線圈中的該等第二主要線段以及該等連接線段連接為該第一螺旋部份以及該第二螺旋部份。

根據本發明內容之一實施例，其中該等第二主要線段之配置方向與該等磁阻感測單元之配置方向平行。

根據本發明內容之一實施例，其中該等第二主要線段中至少一部份第二主要線段覆蓋該等磁阻感測單元。

根據本發明內容之一實施例，其中當該補償電流通過覆蓋該等磁阻感測單元之該至少一部份第二主要線段時，該補償電流於該至少一部份第二主要線段上具有相同之電流流向。

根據本發明內容之一實施例，其中每一該等磁阻感應元件為一長條狀，且每一該等磁阻感應元件之兩端分別為銳角尖端。

根據本發明內容之一實施例，其中該磁感測裝置為一異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)感測裝置，而該等磁阻感測單元分別包含一異向性磁阻材料。

請參閱第1圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種磁感測裝置100之俯視示意圖。如第1圖所示，磁感測裝置100至少包含基板120、複數個磁阻感測單元140a,140b、補償線圈160以及重置線圈180。

實際應用中，磁感測裝置100可更進一步包含輸出入介面端點(未繪示)以及相對應的連接線路(未繪示)，用來將電流或電壓訊號導入上述磁阻感測單元140a,140b、補償線圈160以及重置線圈180當中，由於介面端點與連接線路的設置為習知技藝之人所熟知，故在此不另贅述。

請一併參閱第2圖，其繪示第1圖中磁阻感測單元140a,140b其分離示意圖。如第1圖與第2圖所示，本實施例中磁感測裝置100包含多個磁阻感測單元140a,140b分別設置於基板120上。於此實施例中，磁感測裝置100共有十六組磁阻感測單元140a,140b，但本發明並不此特定數目的磁阻感測單元140a,140b為限，實際應用中，磁阻感測單元140a,140b的數量可視實際磁感應需求而訂。如第2圖所示，每一磁阻感測單元140a,140b分別為一長條狀，且磁阻感應元件140a,140b之兩端分別為銳角尖端。

由於，習知的磁阻感應元件之兩端為方形端，兩端邊線上較容易極化而形成靜態磁場，此一靜態磁場將使得磁阻感應元件的靈敏度下降。本案中的磁阻感應元件140a,140b之兩端分別為銳角尖端，藉此可減少在端線上發生極化現象並避免上述靜態磁場的發生。

於此實施例中，磁感測裝置100可為異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)感測裝置，而磁阻感測單元140a,140b可分別包含異向性磁阻材料。磁阻感測單元140a,140b的阻值將隨施加於其上的磁場而改變，因此，磁感測裝置100透過磁阻感測單元140a,140b可用以感測周圍的磁場。

請一併參閱第3圖，其繪示第1圖中補償線圈160其分離示意圖。如第1圖與第3圖所示，本實施例中補償線圈160設置於該等磁阻感測單元140a,140b上方，補償線圈160的至少一部份覆蓋該等磁阻感測單元140a,140b。補償線圈160用以導入補償電流162(如第3圖所示)。補償電流162流過該補償線圈160用來建立一補償磁場至磁阻感測單元140a,140b。此補償磁場可用來校正因外部干擾磁場對磁阻感測單元140a,140b所造成的影響，其校正的效果可透過補償電流162的電流大小進行控制。

請一併參閱第4圖，其繪示第1圖中補償線圈160其分離示意圖。如第4圖所示，補償線圈160之線路配置包含彼此反向的第一螺旋部份160a以及第二螺旋部份160b。

如第4圖所示，其中補償線圈160包含複數個主要線段164,165以及複數個連接線段166，其中該等主要線段164,165平行排列且彼此間留有空隙，其中每一連接線段166連接於其中兩個主要線段164,165的相鄰端點之間，並使該重置線圈中的該等主要線段164,165以及該等連接線段166連接為第一螺旋部份160a以及第二螺旋部份160b。

如第3圖與第4圖所示，於此實施例中，主要線段164,165之配置方向與磁阻感測單元140a,140b之配置方向平行。連接線段166之配置方向與磁阻感測單元140a,140b之配置方向垂直。

如第3圖與第4圖所示，在上述主要線段164,165之中，其中一部份主要線段(即第4圖中的主要線段164)覆蓋磁阻感測單元140a,140b。

根據本發明內容之一實施例，其中當補償電流162通過覆蓋磁阻感測單元140a,140b之部份主要線段164時，補償電流162於主要線段164上具有相同之電流流向。

須特別說明的是，本實施例中補償線圈160具有雙螺旋結構，補償線圈160左半部的第一螺旋部份160a為順時針螺旋，右半部的第二螺旋部份160b為逆時針螺旋，但本發明並不此以為限，於另一實施例中，第一螺旋部份與第二螺旋部份之螺旋方向亦可互換。

藉由此反向的雙螺旋設計，並配合本案中補償線圈160與磁阻感測單元140a,140b的配置關係，於此例中，通過磁阻感測單元140a,140b上方的補償電流162皆具有相同的電流流向，如第3圖之實施例中，通過磁阻感測單元140a,140b上方的補償電流162皆為由上向下流動。藉此，使補償電流162可建立同一方向的補償磁場至所有的磁阻感測單元140a,140b。此外，本案中反向雙螺旋設計的補償線圈160可節省線圈寬度與整體面積，藉此可提高磁感測裝置100的面積使用效率。

須補充說明的是，於上述實施例中，通過磁阻感測單元140a,140b上方的補償電流162係由上向下流動，但本發明並不以此為限，採用反向之補償電流亦可達到相似之效果，視實際電路需求中須補償之磁場方向而訂。

請一併參閱第5圖以及第6圖，其繪示第1圖中重置線圈180其分離示意圖。如第5圖所示，重置線圈180用以導入重置電流182，重置線圈180的至少一部份覆蓋該等磁阻感測單元140a,140b，重置電流182用以重置磁阻感測單元140a,140b。

如第6圖所示，重置線圈180包含複數個主要線段184以及複數個連接線段186，其中主要線段184平行排列且彼此間留有空隙，其中連接線段186連接於其中兩個主要線段184的相鄰端點之間，並使重置線圈180中的主要線段184以及連接線段186連接為螺旋狀線圈。此螺旋狀線圈可為一順時針螺旋或一逆時針螺旋，於此實施例中所舉例繪示的為順時針螺旋，但本發明並不以此為限。

基於磁阻材料特性，每一磁阻感測單元140a,140b中包含許多個磁區，每一個磁區具有一個磁化方向。如第5圖所示，對位於圖示上方的八組磁阻感測單元140a而言，流經重置線圈180的重置電流182具有由左至右的電流流向，重置電流182可用以建立一重置磁場，對磁阻感測單元140a中每一磁區的磁化方向進行重置，使磁阻感測單元140a的磁化方向重置為相同的一磁化方向。

另一方面，對位於圖示下方的八組磁阻感測單元140b而言，流經重置線圈180的重置電流182具有由右至左的電流流向，此時，重置電流182可用以建立另一重置磁場，對磁阻感測單元140b中每一磁區的磁化方向進行重置，使磁阻感測單元140b的磁化方向重置為相同的另一磁化方向。

藉此，磁阻感測單元140a與磁阻感測單元140b經重置後可分別具有統一的磁化方向。藉此在每一次進行感測前進行重置，或是週期性地進行重置，便可確保磁阻感測單元140a與磁阻感測單元140b各自具有一致的磁化方向一致，藉此確保磁感測裝置的感測精確度。並且，磁阻感測器的溫度漂移可以通過比較在正向和反向重置磁場下的感測器輸出結果來進行校正，在高精度羅盤系統或高敏感性的精密裝置中十分重要。

此外，如第5圖以及第6圖所示，重置線圈180中的主要線段184之線段寬度較寬，重置線圈180的主要線段184大於重置線圈180的連接線段186之線段寬度。

在實際電流流動過程中，重置電流182會趨向較短之路徑的流動路線前進。也就是說，在一般的螺旋狀的重置線圈上，重置電流將沿著重置線圈上靠近螺旋中心的內側側邊流動，如此一來，將使得重置電流無法平均分佈於重置線圈各線段上，而集中在重置線圈的內側側邊。尤其是重置線圈180的主要線段184其寬度較寬，影響更為明顯。

因此，本發明的重置線圈180具有複數個缺口結構188，缺口結構188分別位於重置線圈180之轉折處。如第6圖所示，每一該等主要線段184具有內側側邊184a以及外側側邊184b。內側側邊184a鄰近螺旋狀的重置線圈180中心。如圖所示，位於重置線圈180之轉折處的缺口結構188係設置於主要線段184之內側側邊184a上。

如第6圖所示，於本實施例中，重置線圈180上的每一組缺口結構188可包含一個錐形缺角188a以及鄰近的一個狹縫188b，其中狹縫188b的設置方向可大致與錐形缺角188a的其中一個側邊平行。於此實施例中，缺口結構188係包含錐形缺角188a與狹縫188b，但本發明並不以此為限，於另一實施例中，缺口結構188亦可僅包含設置於內側側邊的缺角，或是設置內側側邊的各種不同形狀之等效性缺口，均應視為本發明之範疇。

同時參照第5圖與第6圖可知，利用上述缺口結構188的設計，可避免重置電流182過度集中於主要線段184之內側側邊184a。當重置電流182流經重置線圈180的轉折處時，錐形缺角188a與狹縫188b將使重置電流182於重置線圈180上流動路徑較為平均分佈在線圈的各個位置。如第5圖所繪示的示意圖中，在重置線圈180上重置電流182的流動路徑可大致被分配至重置線圈180的內側、中央與外側等位置。於第5圖中，為了圖面的簡潔，僅在重置線圈180最內圈的轉折處繪示電流路徑的分佈，實際上在重置線圈180各轉折處的缺口結構188，皆可達到類似效果。

須特別說明的是，本發明的磁感測裝置100中同時設置有補償線圈160與重置線圈180。請一併參照第7圖，繪示第1圖中補償線圈160與重置線圈180兩者之示意圖。如第7圖所示，本發明中的補償線圈160的主要線段164,165與重置線圈180的主要線段184彼此垂直。

如第4圖、第6圖以及第7圖所示實施例中，該重置線圈180的主要線段184之配置方向與磁阻感測單元120之配置方向垂直，而補償線圈160的主要線段164,165之配置方向與磁阻感測單元120之配置方向平行。如此一來，本案中彼此垂直的重置線圈180與補償線圈160可各自產生具有不同目的之兩組磁場，進而用來重置以及補償磁阻感測單元120。

實際應用中，上述磁阻感測單元140、補償線圈160以及重置線圈180可分別為一薄膜結構，設置於該基板120上，且本發明上述實施例中各薄膜的排列僅為例示性說明，並不將磁阻感測單元140、補償線圈160以及重置線圈180限定於特定的上下位置排列。

綜上所述，本發明的磁感測裝置其包含複數個磁阻感測單元、補償線圈以及重置線圈。其中，補償線圈用以導入補償電流以建立補償磁場，以校正因外部干擾磁場對磁阻感測器輸出產生的偏差。重置線圈用以導入重置電流以建立重置磁場，藉此在進行感測之前，重置磁阻感測單元的磁化方向，使磁阻感測單元的磁化方向一致，藉此確保磁感測裝置的感測精確度。並且，磁阻感測器的溫度漂移可以通過比較在正向和反向重置磁場下的感測器輸出結果來進行校正。此外，本案的補償線圈之線路配置具有彼此反向的雙螺旋結構，藉此，可使補償線圈所佔用的寬度最小，並使得補償電流通過磁阻感測單元附近時具有相同的電流流向。此外，本案的重置線圈與補償線圈的主要線段彼此垂直，藉此產生具有不同目的之兩組磁場，進而用來重置以及補償磁感測裝置中的磁阻感測單元。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．磁感測裝置

120．．．基板

140a,140b．．．磁阻感測單元

160．．．補償線圈

160a．．．第一螺旋部份

160b．．．第一螺旋部份

162．．．補償電流

164．．．主要線段

165．．．主要線段

166．．．連接線段

180．．．重置線圈

182．．．重置電流

184．．．主要線段

186．．．連接線段

184a．．．內側側邊

184b．．．外側側邊

188．．．缺口結構

188a．．．錐形缺角

188b．．．狹縫

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示根據本發明之一實施例中一種磁感測裝置之俯視示意圖；

第2圖繪示第1圖中磁阻感測單元其分離示意圖；

第3圖繪示第1圖中補償線圈其分離示意圖；

第4圖繪示第1圖中補償線圈其分離示意圖；

第5圖繪示第1圖中重置線圈其分離示意圖；

第6圖繪示第1圖中重置線圈其分離示意圖；以及

第7圖繪示第1圖中補償線圈與重置線圈兩者之示意圖。

160．．．補償線圈

164．．．主要線段

165．．．主要線段

180．．．重置線圈

184．．．主要線段

Claims (10)

1. 一種磁感測裝置，包含：一基板；複數個磁阻感測單元，分別設置於該基板上；一重置線圈，設置於該等磁阻感測單元上方，該重置線圈用以導入一重置電流，其中該重置電流所產生的磁場用以對磁阻感測單元的磁化方向進行重置，該重置線圈包含複數個第一主要線段；以及一補償線圈，設置於該等磁阻感測單元上方，該補償線圈用以導入一補償電流，其中該補償電流所產生的磁場用以對磁阻感測單元施加一補償磁場，該補償線圈包含複數個第二主要線段，其中該重置線圈之該等第一主要線段與該補償線圈之該等第二主要線段彼此垂直。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁感測裝置，其中該重置線圈更包含複數個連接線段，其中該等第一主要線段平行排列且彼此間留有空隙，其中每一連接線段連接於其中兩個第一主要線段的相鄰端點之間，並使該重置線圈中的該等第一主要線段以及該等連接線段連接為一螺旋狀線圈。
3. 如申請專利範圍第2項所述之磁感測裝置，其中該等第一主要線段之配置方向與該等磁阻感測單元之配置方向垂直。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁感測裝置，其中該重置線圈具有複數個缺口結構位於該重置線圈之轉折處。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁感測裝置，其中該補償線圈更包含複數個連接線段，其中該等第二主要線段平行排列且彼此間留有空隙，其中每一連接線段連接於其中兩個第二主要線段的相鄰端點之間，並使該補償線圈中的該等第二主要線段以及該等連接線段連接為該第一螺旋部份以及該第二螺旋部份。
6. 如申請專利範圍第5項所述之磁感測裝置，其中該等第二主要線段之配置方向與該等磁阻感測單元之配置方向平行。
7. 如申請專利範圍第5項所述之磁感測裝置，其中該等第二主要線段中至少一部份第二主要線段覆蓋該等磁阻感測單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之磁感測裝置，其中當該補償電流通過覆蓋該等磁阻感測單元之該至少一部份第二主要線段時，該補償電流於該至少一部份第二主要線段上具有相同之電流流向。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磁感測裝置，其中每一該等磁阻感應元件為一長條狀，且每一該等磁阻感應元件之兩端分別為銳角尖端。
10. 如申請專利範圍第1項所述之磁感測裝置，其中該磁感測裝置為一異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)感測裝置，而該等磁阻感測單元分別包含一異向性磁阻材料。