TWI431301B - 應用穿隧式磁電阻器之磁場感測方法及磁場感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關於磁場感測，特別是有關於應用穿隧式磁電阻器之磁場感測方法及磁場感測裝置。
電子羅盤已設置於各種電子產品中以用於改進性能。舉例來說，電子羅盤可用於全球定位系統(GPS)中以改進感測能力。GPS中的前進方向是通過物體的移動來確定。然而，當速度慢或甚至處於靜止位置時，GPS便無法精確地確定方位。電子羅盤則可提供方位角資訊以幫助確定方向。
各種方式感測磁場的機制已被提出，例如典型的霍爾元件(Hall device)或磁阻元件(magneto-resistive device)。磁阻元件包括異向性磁電阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁電阻器(giant magneto-resistor，GMR)和穿隧式磁電阻器(tunneling magneto-resistor，TMR)的磁阻元件，具有比霍爾元件靈敏度大的優點，且其後端製程也容易與CMOS的前端製程相整合。
第1A圖至第1B圖顯示為用於磁場感測器95的典型穿隧式磁電阻器之示意圖，其包括：由導電金屬形成的底板作為形成於基板90上的底部電極102；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110，形成於底部電極102上；及由導電材料形成的頂板作為形成於磁性穿隧接面元件110的頂部電極106。從磁性穿隧接面元件的結構圖案，我們可以定義一相交點於中心處的十字形線，其中較長的線稱為長軸101，且較短的線稱為短軸103，另外，稱作易軸(easy-axis)180的線與長軸101共線。磁性穿隧接面元件110包括固定層112、穿隧層115和自由層116，其中磁性穿隧接面元件110設置於底部電極102與頂部電極106之間。磁性材料的固定層112形成於底部電極102上，且具有與一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧層115形成於固定層112上。磁性材料的自由層116形成於穿隧層115上，且具有在初始時與易軸180平行的第一自由磁距118。
在形成磁性穿隧接面元件之後，例如是磁性薄膜堆疊和圖案蝕刻後，通過在退火製程期間施加一固定方向為與易軸180垂直的磁場。於退火製程之後，第一固定磁矩114將會平行所述磁場的方向，而磁性穿隧接面元件110的形狀異向性會使第一自由磁距118傾向與易軸平行。因此，穿隧式磁電阻器的磁場感測方向垂直於基板的易軸180。
通過異向性磁電阻器或甚至巨磁電阻器，可以實現集成式的水平雙軸磁場感測器，但其佔據面積大小相當大。由於其極低的電阻率，元件長度必須足夠長以達到可用於感測磁場的值。第2A圖至第2B圖為全範圍與半範圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖式。如第2A圖所示，惠斯頓電橋電路是一般常採用來將感測訊號轉換為電子信號的方法。對於異向性磁電阻器磁性感測器，電橋的每個元件R11、R21、R12、R22都是串聯連接的一些具有螺絲紋條狀桿偏壓結構的異向性磁電阻器，且任何相鄰元件上的短路條狀桿的角度(shorting bar angle)都互補，使得電橋對稱且能全範圍操作。然而，對於巨磁電阻器或穿隧式磁電阻器磁場感測器，由於其對稱的磁阻與磁場特性，因此兩個元件R21、R12必須被遮蔽(如第2B圖所示)僅使用半範圍操作。由於穿隧式磁電阻器的磁阻比較高，不對稱的半範圍操作會導致電橋輸出失去線性度(linearity)和準確度。
中華民國專利申請案第100123328號「穿隧磁阻結構以及集成式3軸向磁場感測器與感測電路的製造方法」，雖然提出了應用穿隧式磁電阻器之磁場感測裝置，但依該第100123328號申請案之第6圖及第9圖所示，每個X軸感測器需使用2個MTJ元件，每個Y軸感測器需使用2個MTJ元件，以及每個Z軸感測器需使用4個MTJ元件。再依該第100123328號申請案第12圖及其相關敘述可知，磁場感測裝置需使用2個X軸感測器、2個Y軸感測器及2個Z軸感測器，以進行磁場感測；因此，該第100123328號申請案之感測裝置需分別使用4個MTJ元件來感測X軸向或Y軸向磁場，及8個MTJ元件來感測Z軸向磁場，電路所使用的MTJ元件多會令製造成本昇高。
本揭露提出第一種應用穿隧式磁電阻器(TMR)感測器之磁場感測方法，包括以下步驟。
首先，使用第一TMR感測器及第二TMR感測器進行磁場感測；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ。
提供一偏壓訊號於該第一及該第二TMR感測器。
於第一期間，執行第一感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第一差值。
於第二期間，執行第二感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第二差值。
於第三期間，執行第三感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第三差值。
於第四期間，執行第四感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第四差值。
最後，加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
如前所述之第一種應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中該第一及該第二TMR感測器，更可以分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接。
前述該第一種方法之該第一感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定。
前述該第一種方法之該第二感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定。
前述該第一種方法之該第三感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定。
前述該第一種方法之該第四感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定。
本揭露提出第二種應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，包括以下步驟。
首先，使用第一TMR感測器及第二TMR感測器進行磁場感測；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該第一固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ。
提供一偏壓訊號於該第一及該第二TMR感測器。
於第一期間，執行第一感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第一差值。
於第二期間，執行第二感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成一第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第二差值。
於第三期間，執行第三感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第三差值。
於第四期間，執行第四感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第四差值。
最後，加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
如前所述之第二種應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中該第一及該第二TMR感測器，更可以分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接。
前述該第二種方法之該第一感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定。
前述該第二種方法之該第二感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定。
前述該第二種方法之該第三感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定。
前述該第二種方法之該第四感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定。
本揭露更提出一種磁場感測裝置，包括：鉗位電壓電流鏡單元；第一及第二穿隧式磁電阻(TMR)感測器；控制單元；轉換單元；以及，加總單元。
該鉗位電壓電流鏡單元，具有輸入端及第一輸出端和第二輸出端，該輸入端接收一偏壓電位，使得該第一及該第二輸出端依據該偏壓電位而分別提供相等之第一及第二固定電壓。
該第一及該第二穿隧式磁電阻(TMR)感測器，分別直接或間接地連接至該第一及該第二輸出端；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該第一固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ。
該控制單元，在第一至第四期間分別設定該第一MTJ元件中該自由層之第一自由磁矩相對於該第一固定方向的夾角狀態、及該第二MTJ元件中該自由層之第二自由磁矩相對於該第一固定方向的夾角狀態。
該轉換單元，於該磁場感測裝置在各個該第一至第四期間中分別感測磁場時，將該第一及該第二TMR感測器於感測磁場後兩者間的電導差轉換為第一至第四電子信號。
該加總單元，將該第一至該第四電子信號加總，以得出對應磁場強度之感測值電子信號。
前述磁場感測裝置中該控制單元，可依據第一設定方式在第一至第四期間分別進行設定；依據該第一設定方式，該控制單元於該第一期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第二期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第三期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，於該第四期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定。
前述磁場感測裝置中該控制單元可依第二設定方式在第一至第四期間分別進行設定；依據該第二設定方式，該控制單元於該第一期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第二期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成一第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第三期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及，於該第四期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定。
前述磁場感測裝置中，該第一及該第二TMR感測器可更分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接。
前述磁場感測裝置中具有該第一至第四的MTJ元件，且該控制單元依據該第一設定方式所進行之設定，更包括：於該第一期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；於該第二期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；於該第三期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定；於該第四期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定。
前述磁場感測裝置中具有該第一至第四的MTJ元件，且該控制單元依據該第二設定方式所進行之設定，更包括：於該第一期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；於該第二期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；於該第三期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定；於該第四期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定。
以下說明是本發明的各種實施範例及樣態。其目的是要舉例說明本發明一般性的原則，不應視為本發明之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
本揭露主要是以穿隧式磁電阻(TMR)作為磁場感測器，故下文中均稱之為TMR感測器。
第3圖顯示使用穿隧式磁電阻(TMR)感測器作為磁場感測單元在三軸向上的相對配置。在本揭露中所使用的TMR感測器(以TMR作為感測器)均具有如第1A圖及第1B圖所示磁性穿隧接面(MTJ)元件的結構特徵。
參照第3圖，X軸感測器Y1和Y2均由包括1個MTJ元件之TMR感測器所構成，Y軸感測器X1和X2均由包括1個MTJ元件之TMR感測器所構成；Z軸感測器Z1由包括2個MTJ元件(L1及R1)之TMR感測器所構成，Z軸感測器Z2由包括2個MTJ元件(L2及R2)之TMR感測器所構成。X軸感測器Y1、Y2之固定磁矩34和Y軸感測器X1、X2之固定磁矩35係處於相同的固定方向上；該固定方向如第3圖所示，與X軸或Y軸之間形成45度角)。
Z軸感測器Z1之MTJ元件L1及R1係並聯連接，Z軸感測器Z2之MTJ元件L2及R2係並聯連接。MTJ元件L1、L2係形成於第一斜面30a上，MTJ元件R1、R2係形成於第二斜面30b上，該第一斜面30a和該第二斜面30b相對於一基板具有相同的斜角，且相對於基板上的凹槽結構(30c)或凸起結構(30c)的中軸線，MTJ元件L1、L2兩者之固定磁矩36與MTJ元件R1、R2兩者之固定磁矩37具有對稱翻轉的關係。
X軸感測器Y1、Y2係設置為其易軸(或長軸)平行於Y軸，其自由磁矩31於初始係平行於其易軸，用以感測沿X軸方向的磁場HX
；Y軸感測器X1、X2係設置為其易軸(或長軸)平行於X軸，其自由磁矩32於初始係平行於其易軸，用以感測沿Y軸方向的磁場HY
。
Z軸感測器Z1及Z2之MTJ元件L1~L2及R1~R2係設置為其易軸(或長軸)與X軸(或Y軸)形成45度之夾角，其自由磁矩33於初始係平行於其長軸(亦即與X軸(或Y軸)形成45度之夾角)，用以感測沿Z軸方向的磁場HZ
。
再請參照第3圖，金屬線路徑SL11-SL12、SL21-SL22及SL31-SL32分別橫越該X軸感測器Y1-Y2、該Y軸感測器X1-X2及該Z軸感測器Z1-Z2，可以施加設定電流於該等金屬線路徑以設定該X軸、Y軸及Z軸感測器之自由磁矩的方向。
由於X與Y軸感測器的性質相近，在此先以X軸感測器Y1及Y2來說明本揭露之磁場感測方法，於此例中，該X軸感測器中之固定磁矩的該固定方向係與Y軸形成π/4夾角。X軸感測器Y1及Y2的電導值以表示，其中上標P若為Y10(或Y20)是表示其自由層磁矩在長軸(易軸方向)上的電導值，若為Y1(或Y2)是表示與所感測磁場HX
有關的電導值，其下標Q則是標明其自由磁矩與固定磁矩的夾角狀態；故X軸感測器Y1之電導值呈現一個與角度相關的關係式，如式(1)~(2)所示：
其中，MR是磁阻比(magneto-resistanceratio)，GP
是在自由磁矩平行於固定磁矩時的電導，θ是在所施加磁場垂於易軸時自由磁矩與易軸之間的夾角。
藉由施加設定電流可以刻意讓自由磁矩固定於長軸(易軸)方向上，而在此時此元件係作為零磁場參考單元(其電導值不隨外在磁場而變)，其電導值則會如式(3)與式(4)所示：
兩個X軸感測器Y1、Y2與感測場有關的電導之變化量如式(5)與式(6)所示：
X軸感測器Y1與Y2與感測場有關之電導的變化量ΔG Y 1
+ΔG Y 2
，如式(7)所示。
其中，HX
表示沿X軸方向施加的磁場。
而式(7)代表的意義則是將X軸感測器Y1與Y2與磁場有關的變化量ΔG Y 1
+ΔG Y 2
，可以拆解成四個時序分別來完成。其中X軸感測器Y1及Y2在4個時序內，分別擔任感測單元與零磁場參考單元。此外，使用等效於式(7)的式(8)，亦可達到相同的功效。
以下說明依據本揭露之磁場感測方法的第一及第二實施範例(以X軸感測器Y1、Y2為例)。
[磁場感測方法之第一實施範例]
本揭露之磁場感測方法的第一實施範例，包括：提供例如一固定或直流偏壓訊號於該X軸感測器Y1及Y2；於第一至第四期間(T1~T4)分別執行第一至第四感測程序，以分別設定該X軸感測器Y1及Y2之自由磁矩的狀態，並取得對應於該X軸感測器Y1及Y2兩者間之電導差的第一至第四差值；以及，加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
以下請參照第4A圖所示X軸感測器之自由磁矩狀態說明前述之第一至第四感測程序。
於前述第一期間T1執行之第一感測程序，包括：設定該X感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩平行易軸(長軸)且與該固定方向(固定磁矩)之間形成該第一夾角Φ(在此以π/4為例)，及設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩與該固定方向之間形成第二夾角π-Φ(在此例為3π/4)，並使Y1之該第一自由磁矩固定(亦即以該X軸感測器Y1作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4A圖中T1期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y2、Y1兩者間電導差的第一差值。
於前述第二期間T2執行之第二感測程序，包括：設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸(長軸)且與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，及設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，並使該第一自由磁矩固定(仍以該X軸感測器Y1作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4A圖中T2期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y2、Y1兩者間電導差的第二差值。
於前述第三期間T3執行之第三感測程序，包括：設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，及設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，並使該第二自由磁矩固定(亦即以該X軸感測器Y2作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4A圖中T3期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於X軸感測器Y1、Y2兩者間電導差的第三差值。
於前述第四期間T4執行之第四感測程序，包括：設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，及設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，並使該第二自由磁矩固定(仍以該X軸感測器Y2作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4A圖中T4期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y1、Y2兩者間電導差的第四差值()。
此外，本揭露之磁場感測方法的第二實施範例，其實施步驟大致上與前述第一實施範例相同，其與第一實施範例的主要差異在於第一至第四期間(T1~T4)分別執行之第一至第四感測程序，茲詳述如下。
[磁場感測方法之第二實施範例]
以下請參照第4B圖所示X軸感測器之自由磁矩狀態說明前述之第一至第四感測程序。
於第一期間T1執行之第一感測程序，包括：設定該X感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩平行易軸(長軸)且與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(在此以π/4為例)，及設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，並使Y1之該第一自由磁矩固定(亦即以該X軸感測器Y1作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4B圖中T1期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y2、Y1兩者間電導差的第一差值()。
於第二期間T2執行之第二感測程序，包括：設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸(長軸)且與該固定方向之間形成一第二夾角π-Φ(=3π/4)，及設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，並使該第一自由磁矩固定(以該X軸感測器Y1作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4B圖中T2期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y2、Y1兩者間電導差的第二差值
於第三期間T3執行之第三感測程序，包括：設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，及設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩與該固定方向之間形成該第一夾角Φ(=π/4)，並使該第二自由磁矩固定(亦即以該X軸感測器Y2作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4B圖中T3期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於X軸感測器Y1、Y2兩者間電導差的第三差值()。
於第四期間T4執行之第四感測程序，包括：設定該X軸感測器Y2之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，及設定該X軸感測器Y1之該自由層的第一自由磁矩與該固定方向之間形成該第二夾角π-Φ(=3π/4)，並使該第二自由磁矩固定(以該X軸感測器Y2作為零磁場參考單元)，設定後之狀態如第4B圖中T4期間所示者。再進行磁場感測，並取得對應於該X軸感測器Y1、Y2兩者間電導差的第四差值
[磁場感測方法之第三實施範例]
本揭露之磁場感測方法的第三實施範例，包括：提供例如一固定或直流偏壓訊號於該Z軸感測器Z1及Z2；於第一至第四期間(T1~T4)分別執行第一至第四感測程序，以分別設定該Z軸感測器Z1及Z2之自由磁矩的狀態，並取得對應於該Z軸感測器Z1及Z2兩者間之電導差的第一至第四差值；以及，加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
以下請參照第4A圖所示Z軸感測器之自由磁矩狀態說明前述之第一至第四感測程序。
Z軸感測器Z1是由MTJ元件L1和R1並聯連接所構成，而Z軸感測器Z2是由MTJ元件L2和R2所構成，所以在該T1~T4期間需分別對MTJ元件L1-L2及R1-R2設定自由磁矩的狀態，以達成對Z軸感測器Z1、Z2設定自由磁矩之目的。
於前述第一期間T1執行之第一感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成第一夾角Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ。此外，更使該Z軸感測器Z1中MTJ元件R1與L1之第一及第三自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。需注意的是該第一固定方向與該第二固定方向係對稱於該易軸方向。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z2、Z1兩者間電導差的第一差值。
於前述第二期間T2執行之第二感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ。此外，更使該Z軸感測器Z1中MTJ元件R1與L1之第一及第三自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z2、Z1兩者間電導差的第二差值。
於前述第三期間T3執行之第三感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ。此外，更使該Z軸感測器Z2中MTJ元件R2與L2之第二及第四自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z1、Z2兩者間電導差的第三差值。
於前述第四期間T4執行之第四感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成第一夾角Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ。此外，更使該Z軸感測器Z2中MTJ元件R2與L2之第二及第四自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z1、Z2兩者間電導差的第四差值。
此外，本揭露之磁場感測方法的第四實施範例亦是使用Z軸感測器，其實施步驟大致上與前述第三實施範例相同，其與第三實施範例的主要差異在於第一至第四期間(T1~T4)分別執行之第一至第四感測程序，茲詳述如下。
[磁場感測方法之第四實施範例]
再請參照第4B圖中Z軸感測器所示之自由磁矩狀態。於前述第一期間T1執行之第一感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成第一夾角Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二方向之間形成該第一夾角Φ。此外，更使該Z軸感測器Z1中MTJ元件R1與L1之第一及第三自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。需注意的是該第一固定方向與該第二固定方向係對稱於該易軸方向。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z2、Z1兩者間電導差的第一差值。
於前述第二期間T2執行之第二感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ。此外，更使該Z軸感測器Z1中MTJ元件R1與L1之第一及第三自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z2、Z1兩者間電導差的第二差值。
於前述第三期間T3執行之第三感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ。此外，更使該Z軸感測器Z2中MTJ元件R2與L2之第二及第四自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z1、Z2兩者間電導差的第三差值。
於前述第四期間T4執行之第四感測程序，包括：設定該MTJ元件R1之第一自由磁矩平行於易軸(長軸)方向且與第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件R2之第二自由磁矩平行於該易軸方向且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ；以及設定該MTJ元件L1之第三自由磁矩平行於該易軸(長軸)方向且與第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，該MTJ元件L2之第四自由磁矩平行於該易軸(長軸)且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ。此外，更使該Z軸感測器Z2中MTJ元件R2與L2之第二及第四自由磁矩固定，以作為零磁場參考單元。再進行磁場感測，並取得對應於該Z軸感測器Z1、Z2兩者間電導差的第四差值。
由上述可知：由第一至第四實施範例方法所得的加總結果均可反應出所感測磁場的大小。
若以Y軸感測器X1、X2為例，實施前述磁場感測方法之第一實施範例時，該Y軸感測器X1、X2於第一至第四期間T1~T4之自由磁矩狀態，如第4A圖Y軸感測器於T1~T4期間所示者；實施前述磁場感測方法之第二實施範例時，該Y軸感測器X1、X2於第一至第四期間T1~T4之自由磁矩狀態，如第4B圖中Y軸感測器於T1~T4期間所示者。
[電路實施範例]
第5A圖及第5B圖顯示依據本揭露之磁場感測裝置的2個實施範例電路圖。參照第5A圖，該磁場感測裝置500，包括：偏壓單元502；鉗位電壓電流鏡單元504；轉換單元506；切換單元507；控制單元510；加總單元511；以及，感測器508-509。第5B圖所示磁場感測裝置550，除了不具有切換單元507之外，包括第5A圖所示磁場感測裝置500的其他組成單元。
該偏壓單元502包括分壓電路，電壓相減電路和固定電壓源VM
。在此實施例中，該分壓電路是在電壓源VDD和參考接地GND之間串聯連接的4個相同電阻器R，使節點A和節點B的電位分別是VA
=VDD/2和VB
=VA
/2=VDD/4。電壓相減電路包括運算放大器OP3與2個相等電阻器R，該運算放大器OP3之正、負輸入端分別耦接至節點B和該電壓源VM
，該運算放大器OP3之輸出端連接至節點C並輸出電壓VC
=VA
-VM
至感測器508、509之底部電極。
該鉗位電壓電流鏡單元504，包括由第一PMOS電晶體Q1和第二PMOS電晶體Q2構成之電流鏡電路，以及電壓鉗位器。該第一及該第二PMOS電晶體Q1、Q2的尺寸相同且其源極皆連接至VDD，其汲極分別連接節點D和節點E，作為該鉗位電壓電流鏡單元504的第一及第二輸出端。該第一及該第二PMOS電晶體Q1、Q2的閘極連接一起。該電壓鉗位器由運算放大器OP2構成，該運算放大器OP2之正輸入端連接該節點A以接收電位VA
=VDD/2，其負輸入端連接該節點D，其輸出端連接該第一及該第二PMOS電晶體Q1、Q2的閘極。
該轉換單元506包括運算放大器OP1及感測電阻器RM
。該運算放大器OP1之正輸入端連接該節點A以接收電位VA
，運算放大器OP1之負輸入端連接該節點E。該電阻器RM
連接該運算放大器OP1之輸出端與該負輸入端。
該切換單元507設置於該鉗位電壓電流鏡單元504與該TMR感測器508、509之間，且依據切換信號CS和(兩者為互補信號)而選擇節點D、E與感測器508、509的連接關係。當CS為邏輯High時，該切換單元507將節點D及節點E分別連接至508和509；當CS為邏輯Low時，該切換單元507將節點D及節點E分別連接至509和508。需注意的是，當CS為邏輯High時，第5A圖之磁場感測裝置500等同於第5B圖之磁場感測裝置550。
該感測單元508、509可以是如第3圖所示之X軸感測器(Y1、Y2)、Y軸感測器(X1、X2)或Z軸感測器(Z1、Z2)。
運算放大器OP1~OP3的電源均為VDD。由於運算放大器OP2的輸出端經由第一PMOS電晶體Q1回饋至自己的負輸入端，而運算放大器OP2的輸出端也經由電阻器RM
回饋至自己的負輸入端，所以運算放大器OP1和OP2的正負輸入端會處於虛擬連接狀態，使得運算放大器OP1和OP2的正負輸入端之間的電位差為0。因此，節點D的電位VD
和節點E的電位VE
分別被鉗位至節點A的電位VA
=VDD/2。此設計使得轉換單元506的輸出在零磁場時為VDD/2。感測單元508、509則均操作於該固定或直流偏壓訊號VM
(=VD
-VC
)。轉換單元506感測磁場時的輸出則為VOUT
=VDD/2+ΔG×VM
×RM
，ΔG表示感測器509、508兩者間電導的差值。
該控制單元510，在第一至第四期間(T1~T4)分別設定該感測器508(對應第3圖之X軸感測器Y1或Y軸感測器X1)中該自由層之第一自由磁矩相對於該固定方向的夾角狀態、及該感測器509(對應第3圖之X軸感測器Y2、Y軸感測器X2)中該自由層之第二自由磁矩相對於該固定方向的夾角狀態。詳細的設置結果如第4A圖及第4B圖所示。該控制單元510在對感測器508、509(第3圖之X、Y、Z軸感測器)進行上述自由磁矩的夾角狀態時，例如係藉由驅動一設定裝置(未圖示於第5A、5B圖中)，以提供設定電流給第3圖中之金屬線路徑SL11-SL12、SL21-SL22及SL31-SL32以達到設定感測器508、509自由磁矩之目的。
控制單元510應用前述磁場感測方法之第一實施範例，在T1~T4期間對X軸感測器Y1-Y2、Y軸感測器X1-X2或Z軸感測器Z1-Z2的自由磁矩進行夾角狀態設置結果，如第4A圖所示X、Y、Z軸感測器之自由磁矩的夾角狀態設置圖。控制單元510應用前述磁場感測方法之第二實施範例，在T1~T4期間對X軸感測器Y1-Y2、Y軸感測器X1-X2或Z軸感測器Z1-Z2的自由磁矩進行夾角狀態設置結果，如第4B圖所示X、Y、Z軸感測器之自由磁矩的夾角狀態設置圖。
參照第4A、4B圖之自由磁矩設置，控制單元510於T1和T2期間係以感測器508(Y1、X1或Z1)作為不隨外在磁場改變電導之零磁場參考單元，而以感測器509(Y2、X2或Z2)作感測單元；此外，在於T3和T4期間則以感測器509(Y2、X2或Z2)作為零磁場參考單元，而以感測器508(Y1、X1或Z1)作為感測單元。
第5A圖之磁場感測裝置500中，在T1、T2期間，當切換裝置507接收CS為邏輯High時，則流過感測器509的電流(I2
=G2
VM
)等於流過感測器508的電流(I1
=G1
VM
)加上因磁場導致之電導變化而產生的感測電流(ΔI)，因此在T1、T2期間ΔI=I2
-I1
=(G2
-G1
)VM
；G1
、G2
分別表示感測器508、509之電導值。在T3、T4期間，當切換裝置507接收CS為邏輯Low時，則流過感測器508的電流(I1
=G1
VM
)等於流過感測器509的電流(I2
=G2
VM
)加上因磁場導致之電導變化而產生的感測電流(ΔI)，因此T3、T4期間，ΔI=I1
-I2
=(G1
-G2
)VM
。第5B圖之磁場感測裝置550中，由於並無切換裝置507，所以在T1~T4期間，ΔI=I2
-I1
=(G2
-G1
)VM
。
對於第5A圖之磁場感測裝置而言，由於切換單元507的作用，使得T1~T4任何期間內之ΔI都是感測單元的電流減去零磁場參考單元的電流。但是，對於第5B圖之磁場感測裝置550而言，在T1~T2期間內之ΔI是感測單元的電流減去零磁場參考單元的電流，而在T3~T4期間內之ΔI卻是零磁場參考單元的電流減去感測單元的電流。
基於上述(以X軸感測器Y1、Y2為例)，磁場感測裝置500之控制單元510依第一實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間所偵得的感測電流ΔIT1
~ΔIT4
分別為：
磁場感測裝置550之控制單元510依第一實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間所偵得的感測電流ΔIT1
~ΔIT4
分別為：
另外，磁場感測裝置500之控制單元510依第二實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間所偵得的感測電流ΔIT1
~ΔIT4
分別為：
磁場感測裝置550之控制單元510依第二實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間所偵得的感測電流ΔIT1
~ΔIT4
分別為：
磁場感測裝置500和550之轉換單元506於T1~T4時期分別輸出對應於ΔIT1
~ΔIT4
之VOUT_T1
~VOUT_T4
給加總單元511。磁場感測裝置500之加總單元511，可直接將對應於VOUT_T1
~VOUT_T4
中的ΔIT1
~ΔIT4
成分進行加總處理，以得出對應於前述式(7)、式(8)中的磁場感測值ΔG Y 1
+ΔG Y 2
的加總結果ΔIT1
+ΔIT2
+ΔIT3
+ΔIT4
。
磁場感測裝置550之加總單元511，在進行對應於VOUT_T1
~VOUT_T4
中的ΔIT1
~ΔIT4
成分進行加總處理之同時更對VOUT_T3
及VOUT_T4
中的ΔIT3
及ΔIT4
成分進行正負號反轉，以得出對應於前述式(7)、式(8)中的磁場感測值ΔG Y 1
+ΔG y 2
的加總結果ΔIT1
+ΔIT2
-ΔIT3
-ΔIT4
。
由於Y軸感測器之感測方式與X軸感測器相似，故在使用Y軸感測器(X1-X2)時，磁場感測裝置500和550之控制單元510依第一實施範例或第二實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間亦會偵得的感測電流ΔI’T1
~ΔI’T4
。磁場感測裝置500和550之轉換單元506於T1~T4時期分別輸出對應於感測電流ΔI’T1
~ΔI’T4
之V’OUT_T1
~V’OUT_T4
給加總單元511。磁場感測裝置500之加總單元511，可直接將對應於V’OUT_T1
~V’OUT_T4
中的ΔI’T1
~ΔI’T4
成分進行加總處理，以得出磁場感測值ΔG X 1
+ΔG X 2
的加總結果ΔI’T1
+ΔI’T2
+ΔI’T3
+ΔI’T4
。
磁場感測裝置550之加總單元511，在進行對應於V’OUT_T1
~V’OUT_T4
中的ΔI’T1
~ΔI’T4
成分進行加總處理之同時更對V’OUT_T3
及V’OUT_T4
中的ΔI’T3
及ΔI’T4
成分進行正負號反轉，以得出對應於磁場感測值ΔG X 1
+ΔG X 2
的加總結果ΔI’T1
+ΔI’T2
-ΔI’T3
-ΔI’T4
。
同理，在使用Z軸感測器(Z1-Z2)時，磁場感測裝置500和550之控制單元510依第三實施範例或第四實施範例之自由磁矩配置，在T1~T4期間亦會偵得的感測電流ΔI’T1
~ΔI’T4
。磁場感測裝置500和550之轉換單元506於T1~T4時期分別輸出對應於感測電流ΔI’T1
~ΔI’T4
之V’OUT_T1
~V’OUT_T4
給加總單元511。磁場感測裝置500之加總單元511，可直接將對應於V’OUT_T1
~V’OUT_T4
中的ΔI’T1
~ΔI’T4
成分進行加總處理，以得出磁場感測值ΔG Z 1
+ΔG Z 2
的加總結果ΔI’T1
+ΔI’T2
+ΔI’T3
+ΔI’T4
。
磁場感測裝置550之加總單元511，在進行對應於V’OUT_T1
~V’OUT_T4
中的ΔI’T1
~ΔI’T4
成分進行加總處理之同時更對V’OUT_T3
及V’OUT_T4
中的ΔI’T3
及ΔI’T4
成分進行正負號反轉，以得出對應於磁場感測值ΔG Z 1
+ΔG Z 2
的加總結果ΔI’T1
+ΔI’T2
-ΔI’T3
-ΔI’T4
。
基於以上所述依本揭露之磁場感測方法所實作的磁場感測電路，於X軸、Y軸感測器使用2個MTJ元件，另於Z軸感測器使用4個MTJ元件，因此較前述第100123328號申請案可大幅降低電路使用的元件以降低成本，且MTJ元件或TMR感測器均與現行通用的半導體製程相容，因此易於進行電路整合，增加良率及電路之可靠度。
雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具有通常技術知識者，在不違背本發明精神和範圍的情況下，可做些許變動與替代，因此本發明之保護範圍當應視隨後所附之申請專利範圍所界定者為準。
95．．．磁場感測器
90．．．基板
102．．．底部電極
110．．．磁性穿隧接面元件
106．．．頂部電極
101．．．長軸101
103．．．短軸
180．．．易軸
112．．．固定層
115．．．穿隧層
116．．．自由層
112．．．固定層
114．．．第一固定磁距
118．．．第一自由磁距
R11、R21、R12、R22．．．電橋元件
Y1、Y2．．．X軸感測器
X1、X2．．．Y軸感測器
Z1、Z2．．．Z軸感測器
L1、R1．．．Z軸感測器Z1之MTJ元件
L2、R2．．．Z軸感測器Z2之MTJ元件
31．．．X軸感測器之自由磁矩
32．．．Y軸感測器之自由磁矩
33．．．Z軸感測器之自由磁矩
34．．．X軸感測器之固定磁矩
35．．．Y軸感測器之固定磁矩
36．．．MTJ元件L1、L2之固定磁矩
37．．．MTJ元件L2、R2之固定磁矩
30a、30b．．．第一、第二斜面
30c．．．凹槽或凸起結
HX
．．．沿X軸方向的磁場
HY
．．．沿Y軸方向的磁場
HZ
．．．沿Z軸方向的磁場
SL11-SL12、SL21-SL22、SL31-SL32．．．金屬線路徑
Φ．．．第一夾角
π-Φ．．．第二夾角
500、550．．．磁場感測裝置
502．．．偏壓單元
504．．．鉗位電壓電流鏡單元
506．．．轉換單元
507．．．切換單元
508、509．．．感測器
510．．．控制單元
511．．．加總單元
VM
．．．固定電壓源VM
VDD．．．電壓源
GND．．．參考接地
RM
、R．．．電阻器
A、B、C、D、E．．．節點
OP1-OP3．．．運算放大器
Q1、Q2．．．PMOS電晶體
CS、．．．切換信號
I1
、I2
．．．流過感測器508、509之電流
ΔI．．．感測電流
G1
、G2
．．．感測器508、509之電導值
VOUT
．．．轉換單元之輸出
第1A圖至第1B圖顯示為用於磁場感測器95的典型穿隧式磁電阻器之示意圖。
第2A圖至第2B圖為全範圍與半範圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖。
第3圖顯示使用穿隧式磁電阻(TMR)感測器作為磁場感測單元在三軸向上的相對配置。
第4A圖及第4B圖顯示X軸、Y軸及Z軸感測器於T1~T4期間其自由磁矩的角度狀態配置。
第5A圖及第5B圖顯示依據本揭露之磁場感測裝置的2個實施範例電路圖。
Claims (17)
- 一種應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，包括：使用第一TMR感測器及第二TMR感測器進行磁場感測；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ；提供一偏壓訊號於該第一及該第二TMR感測器；於第一期間，執行第一感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第一差值；於第二期間，執行第二感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第二差值；於第三期間，執行第三感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第三差值；於第四期間，執行第四感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第四差值；以及加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
- 如申請專利範圍第1項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中該第一及該第二TMR感測器更分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接；該第一感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；該第二感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；該第三感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定；該第四感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第2項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中，該第一及該第二TMR感測器具有一凹槽或凸起結構形成於一基板上、並具有第一及第二斜面；該第一及第二斜面相對於該基板具有相同的傾斜角，且相對於該凹槽或凸起結構的一中軸具有對稱翻轉的關係。
- 如申請專利範圍第1項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中，取得該第一至該第四差值，係藉由取得流通於該第一及該第二TMR感測器兩者中之電流差而得。
- 一種應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，包括：使用第一TMR感測器及第二TMR感測器進行磁場感測；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該第一固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ；提供一偏壓訊號於該第一及該第二TMR感測器；於第一期間，執行第一感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第一差值；於第二期間，執行第二感測程序，包括：設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成一第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第二及該第一TMR感測器兩者間之電導差的第二差值；於第三期間，執行第三感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第三差值；於第四期間，執行第四感測程序，包括：設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；及進行磁場感測，並取得對應於該第一及該第二TMR感測器兩者間之電導差的第四差值；以及加總該第一至該第四差值，以得出對應磁場強度之感測值。
- 如申請專利範圍第5項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中該第一及該第二TMR感測器更分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接；該第一感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；該第二感測程序，更包括：設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；該第三感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定；該第四感測程序，更包括：設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第6項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中，該第一及該第二TMR感測器具有一凹槽或凸起結構形成於一基板上、並具有第一及第二斜面；該第一及第二斜面相對於該基板具有相同的傾斜角，且相對於該凹槽或凸起結構的一中軸具有對稱翻轉的關係；其中，該第一及該第二MTJ元件設置於該第一斜面上；該第三及該第四MTJ元件設置於該第二斜面上。
- 如申請專利範圍第5項所述之應用穿隧式磁電阻(TMR)感測器之磁場感測方法，其中，取得該第一至該第四差值，係藉由取得流通於該第一及該第二TMR感測器兩者中之電流差而得。
- 一種磁場感測裝置，包括：鉗位電壓電流鏡單元，具有輸入端及第一輸出端和第二輸出端，該輸入端接收一偏壓電位，使得該第一及該第二輸出端依據該偏壓電位而分別提供相等之第一及第二固定電壓；第一及第二穿隧式磁電阻(TMR)感測器，分別直接或間接地連接至該第一及該第二輸出端；其中，該第一及該第二TMR感測器分別由具有固定層、穿隧層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件所構成，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於一第一固定方向上的固定磁矩，且該第一固定方向與一易軸之間形成第一夾角Φ；控制單元，在第一至第四期間分別設定該第一MTJ元件中該自由層之第一自由磁矩相對於該第一固定方向的夾角狀態、及該第二MTJ元件中該自由層之第二自由磁矩相對於該第一固定方向的夾角狀態；轉換單元，於該磁場感測裝置在各個該第一至第四期間中分別感測磁場時，將該第一及該第二TMR感測器於感測磁場後兩者間的電導差轉換為第一至第四電子信號；以及加總單元，將該第一至該第四電子信號加總，以得出對應磁場強度之感測值電子信號。
- 如申請專利範圍第9項所述之磁場感測裝置，其中，該控制單元於該第一期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第二期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第三期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及於該第四期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第10項所述之磁場感測裝置，其中，該第一及該第二TMR感測器更分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接；該控制單元於該第一期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；該控制單元於該第二期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；該控制單元於該第三期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定；該控制單元於該第四期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第9項所述之磁場感測裝置，其中，該控制單元於該第一期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第二期間，設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成一第二夾角π-Φ，及設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第一自由磁矩固定；於該第三期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第二自由磁矩固定；以及於該第四期間，設定該第二MTJ元件之該自由層的第二自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第一MTJ元件之該自由層的第一自由磁矩平行該易軸且與該第一固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第二自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第12項所述之磁場感測裝置，其中該第一及該第二TMR感測器更分別包括由具有固定層、穿隧層及自由層之第三及第四磁性穿隧接面(MTJ)元件，該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於一第二固定方向上的固定磁矩，且該第二固定方向與該第一固定方向相互對稱於該易軸，該第二固定方向與該易軸之間形成該第一夾角Φ；該第三及第四MTJ元件分別與該第一及第二MTJ元件並聯連接；該控制單元於該第一期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第三自由磁矩固定；該控制單元於該第二期間，更設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第三自由磁矩固定；該控制單元於該第三期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第一夾角Φ，並使該第四自由磁矩固定；該控制單元於該第四期間，更設定該第四MTJ元件之該自由層的第四自由磁矩平行該易軸且與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，及設定該第三MTJ元件之該自由層的第三自由磁矩與該第二固定方向之間形成該第二夾角π-Φ，並使該第四自由磁矩固定。
- 如申請專利範圍第11或第13項所述之磁場感測裝置，其中，該第一及該第二TMR感測器具有一凹槽或凸起結構形成於一基板上、並具有第一及第二斜面；該第一及第二斜面相對於該基板具有相同的傾斜角，且相對於該凹槽或凸起結構的一中軸具有對稱翻轉的關係；其中，該第一及該第二MTJ元件設置於該第一斜面上；該第三及該第四MTJ元件設置於該第二斜面上。
- 如申請專利範圍第10或第12項所述之磁場感測裝置，更包括切換單元，連接該第一及該第二輸出端與該第一及該第二TMR感測器，且於該第一及該第二期間將該第一及該第二輸出端分別連接該第一及該第二TMR感測器，於該第三及該第四期間將該第二及該第一輸出端分別連接該第一及該第二TMR感測器。
- 如申請專利範圍第9項所述之磁場感測裝置，其中該轉換單元包括一運算放大器及一電阻器，該運算放大器之第一輸入端接收該偏壓電位，該運算放大器之第二輸入端連接該鉗位電壓電流鏡單元之該第二輸出端；該電阻器連接該運算放大器之輸出端與該第二輸入端；該運算放大器之輸出端於該第一至該第四期間對應輸出該第一至該第四電子信號。
- 如申請專利範圍第9項所述之磁場感測裝置，其中該鉗位電壓電流鏡單元，包括：第一與第二電晶體，分別具有第一極、第二極以及控制極；其中該第一及第二電晶體之該等第一極耦接至一第一電位節點，該第一及第二電晶體之該等控制極互相連接，該第一及第二電晶體之該等第二極分別作為該鉗位電壓電流鏡單元之該第一和該第二輸出端；以及一鉗位運算放大器，其第一輸入端接收該偏壓電位，其第二輸入端連接該第一電晶體之該第二極，其輸出端連接該第一或該第二電晶體之該控制極。
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