TWI463160B - 平面化之三維磁感測晶片 - Google Patents

Description

平面化之三維磁感測晶片

本發明涉及一種三維磁感測晶片，尤其是利用磁束偏折集中結構，而能在同一平面量測出磁通量三維的分量。

磁感測器被廣泛的應用於各種行業中，主要用於感測磁場，比如：地球磁場感測器、線性感測器、角度感測器和開關感測器等等多種應用，藉以感測磁場來做包括方向定位或進行導航或進行量測等等多樣性變化。隨著科技的發展，例如汽車導航系統、智慧型手機，作為導航之用，因此，磁感應器的需求也隨之增加，藉由磁感應的特性，能夠迅速地應用在導航及全球定位系統。現代電子產品設計均已朝向將數個不同功能之裝置合併至一單一電子產品內，當隨著電子產品的輕薄短小設計，降低整體產品體積的同時，磁感應器的設計也受到考驗。

傳統的磁感應器是設置三個相同結構的磁感應器，將兩者設置於同一平面的垂直方向，用以量測磁場的X軸分量及Y軸分量，而用以量測磁場Z軸分量的另一個磁感測器，需要與其他兩者垂直設置，由於目前積體電路的尺寸設計越來越小，由於垂直連接，製程需要兩段式進行，且垂直連接的過程，在製程上難以標準化，良率難以提高，容易產生失敗，而使得整體的成本提高。

因此，需要一種能夠降低整體體積，將三方向的磁感應器設置於同一平面來減少製程上之問題的感測器結構。

本發明的主要目的是提供一種平面化之三維磁感測晶片，包含電路晶片基板、第一磁感測器、第二磁感測器、第三磁感測器以及磁束偏折集中結構，第一磁感測器、第二磁感測器、第三磁感測器以及磁束偏折集中結構設置於電路晶片基板的上表面，並與電路晶片基板中的電路電氣連接。第一磁感測器與第二磁感測器共同量測一磁通量在第一方向以及第三方向的分量。第三磁感測器用以量測磁通量在第二方向的分量，第二方向與該第一方向在一平面上相互垂直，該第三方向與該第一方向與該第二方向垂直。

磁束偏折集中結構，設置於該第一磁感測器及該第二磁感測器之間，將該磁通量在該第三方向的分量集中，並偏折至該第一方向，從而藉由該第一磁感測器及該第二磁感測器在該第一方向上量測到該磁通量在該第三方向的分量。

進一步地，以一組第四磁感應器及第五磁感應器來取代第三磁感測器，磁束偏折集中結構設置於該第一磁感測器及該第二磁感測器之間，及/或該第四磁感測器及該五磁感測器之間，將該磁通量在一第三方向的分量集中，並偏折至該第一方向或該第二方向，而藉由該第一磁感測器及該第二磁感測器在該第一方向上量測該磁通量在該第三方向的分量，或是藉由該第四磁感測器及該第五磁感測器在該第二方向上量測該磁通量在該第三方向的分量。

利用磁束偏折集中結構能與量測第一方向及第二方向的第一磁感測器、第二磁感測器，第三磁感測器(或第四磁感測及及第五磁感測器)，以半導體製程的方式完成，或者是預先置備再行切割放置於所配置之位置，或以物理性或化學性沉積並加以蝕刻而成，亦可以嵌入式結構實行之；利用偏折磁通量的方式，在平面上量測出三維的磁通量，而不需用傳統方 式以兩段式的製程裝設第三方向的磁感測器，而大幅提高了磁感應器的產率及良率。

1‧‧‧平面化之三維磁感測晶片

2‧‧‧平面化之三維磁感測晶片

3‧‧‧平面化之三維磁感測晶片

10‧‧‧電路晶片基板

21‧‧‧第一磁感測器

23‧‧‧第二磁感測器

30‧‧‧第三磁感測器

31‧‧‧第四磁感測器

33‧‧‧第五磁感測器

40‧‧‧磁束偏折集中結構

第一A圖為本發明平面化之三維磁感測晶片第一實施例的示意圖。

第一B圖為本發明平面化之三維磁感測晶片第二實施例的示意圖。

第一C圖為本發明平面化之三維磁感測晶片第三實施例的示意圖。

第二A圖為磁束偏折集中結構的磁力線分佈的示意圖。

第二B圖為磁束偏折集中結構的磁的向量簡易示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一A圖，本發明平面化之三維磁感測晶片第一實施例的示意圖。如第一A圖所示，第一實施例的平面化之三維磁感測晶片1包含一電路晶片基板10、一第一磁感測器21、一第二磁感測器23、一第三磁感測器30，以及一磁束偏折集中結構40。該第一磁感測器21、該第二磁感測器23、該第三磁感測器30，以及該磁束偏折集中結構40都設置在電路晶片基板10的上表面，並且與電路晶片基板10中的電路(未可見)電氣連接，該第一磁感測器21及該第二磁感測器23用以量測磁通量第一方向A的分量，該第三磁感測器30用以量測磁通量第二方向B的分量，其中第二方向B與第一方向A在一平面上相互垂直。磁束偏折集中結構40設置於第一磁感測器21及一第二磁感測器23之間，第一磁感測器21及一第二磁感測器23基於磁束偏折集中結構40對稱，將磁 通量第三方向C的分量轉換為偏折至第一方向A，而能夠利用該第一磁感測器21及該第二磁感測器23量測第三方向C的分量，其中第三方向C與第一方向A及第二方向B都垂直。

參閱第一B圖，本發明平面化之三維磁感測晶片第二實施例的示意圖。如第一B圖所示，第二實施例的平面化之三維磁感測晶片2實質上與第一實施例的平面化之三維磁感測晶片1相似，只是將第一磁感測器21，一第二磁感測器23改變方向，用以量測磁通量在第二方向B的分量，而該第三磁感測器30用以量測磁通量第一方向A的分量。磁束偏折集中結構40設置於第一磁感測器21及一第二磁感測器23之間，將磁通量第三方向C的分量轉換為偏折至第二方向B，而能夠利用該第一磁感測器21及該第二磁感測器23量測第三方向C的分量。

參閱第一C圖，本發明平面化之三維磁感測晶片第三實施例的示意圖。如第一C圖所示，第三實施例的的平面化之三維磁感測晶片3是由第一實施例的平面化之三維磁感測晶片1改良，只是將第三磁感測器30改變為第四磁感應器31以及第五磁感應器33。該第一磁感測器21、該第二磁感測器23、第四磁感應器31、第五磁感應器33，以及該磁束偏折集中結構40都設置在電路晶片基板10的上表面，並且與電路晶片基板10中的電路(未可見)電氣連接。該第一磁感測器21及該第二磁感測器23用以量測磁通量第一方向A的分量，第四磁感應器31以及第五磁感應器33用以量測磁通量第一方向B的分量。磁束偏折集中結構40設置於第一磁感測器21與一第二磁感測器23之間，以及第四磁感應器31與第五磁感應器33之間，將磁通量第三方向C的分量轉換為偏折至第一方向A或第二方向B，而能夠利用該第一磁感測器21及該第二磁感測器23，或是第四磁感應器31以及第五磁感 應器33量測第三方向C的分量。

參閱第二A圖及第二B圖，分別為磁束偏折集中結構的磁力線分佈的示意圖以及向量簡易示意圖。如第二A圖所示，磁束偏折集中結構40將上方輸入的磁力線在其內部集中，並在磁束偏折集中結構40的下方向兩方輸出。如第二B圖所示，以前述第一實施例作為示例。當在磁束偏折集中結構40上方輸入第三方向C的磁通量，而在將第三方向C的磁通量偏折至第一方向A，並朝兩側輸出，使得該第一磁感測器21、該第二磁感測器23分別量測到磁通量A1、A2，由於磁通量A1、A2的方向不同，以右側為正向，第三方向C的磁通量實質上為A1-A2。而在第一方量的輸入A，第一磁感測器21、該第二磁感測器23同向排列時，當第一磁感測器21、該第二磁感測器23分別量測到磁通量A1、A2，則第一方向的磁通量實質為A1+A2，第三方向的磁通量為A1-A2；第一磁感測器21、該第二磁感測器23反向排列時，則第一方向的磁通量實質為A1-A2，而第三方向的磁通量為A1+A2。如此，實質上明顯能夠區隔，而能夠利用第一磁感測器21、該第二磁感測器23量測到磁通量在第一方向及第三方量的分量，以上僅作為示例，而不用以限定，實際上各種軸向的運算都可以應用。

可以理解地，當運用第一磁感測器21、第二磁感測器23及第四磁感測器31及第五磁感測器33時，當第一磁感測器21、該第二磁感測器23同向排列時，所量測到的磁通量分量相加，可以為磁通量在第一方向或第二方向的分量，而磁通量分量相減，為磁通量在第三方向的分量；反之，當第一磁感測器21、該第二磁感測器23反向排列時，所量測到的磁通量分量相減，可以為磁通量在第一方向或第二方向的分量，而磁通量分量相加，為磁通量在第三方向的分量。第四磁感測器31及第五磁感測器33同向排列時，量測到的磁通 量分量相加，可以為磁通量在第二方向或第一方向的分量，反向排列時，量測到的磁通量分量相減，可以為磁通量在第二方向或第一方向的分量。

同理可理解地，當運用第一磁感測器21、第二磁感測器23及第四磁感測器31及第五磁感測器33時，當第一磁感測器21、該第二磁感測器23同向排列時，所量測到的磁通量分量相加，可以為磁通量在第一方向或第二方向的分量，第一磁感測器21、該第二磁感測器23反向排列時，所量測到的磁通量分量相減，可以為磁通量在第一方向或第二方向的分量，第四磁感測器31及第五磁感測器33同向排列時，量測到的磁通量分量相加，可以為磁通量在第二方向或第一方向的分量，而磁通量分量相減，為磁通量在第三方向的分量；反之，反向排列時，量測到的磁通量分量相減，可以為磁通量在第二方向或第一方向的分量，而磁通量分量相加，為磁通量在第三方向的分量。

該第一磁感測器21、該第二磁感測器23、該第三磁感測器30(或第四磁感測器31及第五磁感測器33)，可以為異方性磁阻(anisotropic magnetic resistance，AMR)元件、巨磁阻(giant magnetic resistance，GMR)元件，以及穿隧磁阻(tunneling magnetic reluctance，TMR)元件的至少其中之一，各磁感測器可以形成各自獨立電橋結構再彼此電氣連接，或是分組串聯接連，例如，該第一磁感測器21和該第二磁感測器30彼此連接形成電橋結構，再與獨立形成電橋結構之該第三感測器30/或是相互連接的第四磁感測器31及第五磁感測器33彼此電氣連接。

該第一磁感測器21、該第二磁感測器23，以及該第三磁感測器25(或第四磁感應器31及第五磁感應器33)，可為分別獨立製造再行組裝置該電路晶片基板10上，或直接於該電路晶片基板10上以物理性或化學性沉積法與蝕刻法形成。

該磁束偏折集中結構40之底面與第一磁感測器21、該第二磁感測器23、第三磁感測器30(或第四磁感測器31及第五磁感測器33)共平面或略高於或略低於磁感測元件之平面。該磁束偏折集中結構40為柱狀，且其可為具有任意寬高比之實心圓柱、角柱、或多邊形柱，且其導磁率(permeability)為1~10000H/m，為金屬性磁性材料或是陶瓷磁性材料，含金屬磁性材料為鐵、鈷、鎳、鐵鈷合金、鈷鎳合金、鐵鎳合金、鐵鈷鎳合金以及鈷鐵硼化合物的至少其中之一。陶瓷磁性材料為鐵氧磁體(ferrimagnets)，其晶體結構為尖晶石(spinel)、反尖晶石(anti-spinel)，以及鈣鐵礦(perovskite)的至少其中之一。

該磁束偏折集中結構40，可預先置備、切割再放置於該電路晶片基板10所配置之位置，或是以物理性或化學性沉積以蝕刻，直接在該電路晶片基板10上形成，例如，在該電路晶片基板10上預先蝕刻出柱狀孔洞，再以物理性或化學性沉積將之填滿後整平而形成。

本發明的特點在於，磁束偏折集中結構能與量測第一方向及第二方向的第一磁感測器、第二磁感測器，第三磁感測器(或第四磁感測及第五磁感測器)，以半導體製程的方式完成，利用偏折磁通量的方式，在平面上量測出三維的磁通量，而不需用傳統方式以兩段式的製程裝設第三方向的磁感測器，而大幅提高了磁感應器的產率及良率。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

1‧‧‧平面化之三維磁感測晶片

10‧‧‧電路晶片基板

21‧‧‧第一磁感測器

23‧‧‧第二磁感測器

30‧‧‧第三磁感測器

40‧‧‧磁束偏折集中結構

Claims (25)

1. 一種平面化之三維磁感測晶片，包含：一電路晶片基板；一第一磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面；一第二磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面，與該第一磁感測器共同量測一磁通量在一第一方向以及一第三方向的分量；一第三磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面，用以量測該磁通量在一第二方向的分量，其中該第二方向與該第一方向在一平面上相互垂直，而該第三方向與該第一方向與該第二方向垂直；以及一磁束偏折集中結構，設置於該電路晶片基板的上表面，設置於該第一磁感測器及該第二磁感測器之間，將該磁通量在該第三方向的分量集中，並偏折至該第一方向，而藉由該第一磁感測器及該第二磁感測器在該第一方向上量測到該磁通量在該第三方向的分量，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第三磁感測器以及該磁束偏折集中結構與該電路晶片基板中的一電路電氣連接，而該第一磁感測器及該第二磁感測器基於該磁束偏折集中結構對稱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構為柱狀，且為實心圓柱、角柱，以及多邊形柱的其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構為為一含金屬性磁性材料或是一陶瓷磁性材料，且該磁束偏折集中結構的導磁率(permeability)為1~10000H/m。
4. 如申請專利範圍第3項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該含金屬 磁性材料為鐵、鈷、鎳、鐵鈷合金、鈷鎳合金、鐵鎳合金、鐵鈷鎳合金以及鈷鐵硼化合物的至少其中之一。
5. 如申請專利範圍第3項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該陶瓷磁性材料鐵氧磁體(ferrimagnets)，且該陶瓷磁性材料的晶體結構為尖晶石(spinel)、反尖晶石(anti-spinel)，以及鈣鐵礦(perovskite)的至少其中之一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器和該第二磁感測器，若其成同向排列，則所得到的該磁通量分量相加為該磁通量在該第一方向的分量，其所得到的該磁通量分量相減，則為該磁通量在該第三方向的分量；若其成反向排列，則該磁通量分量相減為該磁通量在該第一方向的分量，其所得到該磁通量分量相加，則為該磁通量在該第三方向的分量；而該第三磁感測器則獨立量測該磁通量在該第二方向的分量。
7. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器以及該第三磁感測器，為異方性磁阻元件、巨磁阻元件，以及穿隧磁阻元件的至少其中之一，該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第三磁感測器形成獨立電橋結構再彼此電氣連接，或該第一磁感測器、該第二磁感測器連接形成電橋結構後，再與獨立電橋結構之該第三磁感應器連接。
8. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器，以及該第三磁感測器為分別獨立製造再行組裝置該電路晶片基板上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器以及該第三磁感測器係直接於該電路晶片基板上以物理性或化學性沉積法與蝕刻法形成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構之底面與該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第三磁感測器共平面或略高於或略低於該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第三磁感測器之平面。
11. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構係預先置備再行切割放置於所配置之位置。
12. 如申請專利範圍第1項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構係物理性或化學性沉積及蝕刻在該電路晶片基板上形成。
13. 一種平面化之三維磁感測晶片，包含：一電路晶片基板；一第一磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面；一第上磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面，與該第一磁感測器共同量測一磁通量在一第一方向分量；一第四磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面；一第五磁感測器，設置於該電路晶片基板的上表面，與該第四磁感測器共同量測一磁通量在一第二方向分量，該第二方向與該第一方向在一平面上相互垂直；以及一磁束偏折集中結構，設置於該電路晶片基板的上表面，設置於該第一磁感測器及該第二磁感測器之間，及/或該第四磁感測器及該五磁感測器 之間，將該磁通量在一第三方向的分量集中，並偏折至該第一方向或該第二方向，而藉由該第一磁感測器及該第二磁感測器在該第一方向上量測該磁通量在該第三方向的分量，或是藉由該第四磁感測器及該第五磁感測器在該第二方向上量測該磁通量在該第三方向的分量，其中該第三方向與該第一方向與該第二方向垂直，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器、該第五磁感測器以及該磁束偏折集中結構與該電路晶片基板中的一電路電氣連接，該第一磁感測器及該第二磁感測器，及/或該第四磁感測器及該第五磁感測器基於該磁束偏折集中結構對稱。
14. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構為柱狀，且為實心圓柱、角柱，以及多邊形柱的其中之一。
15. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構為為一含金屬性磁性材料或是一陶瓷磁性材料，且該磁束偏折集中結構的導磁率(permeability)為1~10000H/m。
16. 如申請專利範圍第15項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該含金屬磁性材料為鐵、鈷、鎳、鐵鈷合金、鈷鎳合金、鐵鎳合金、鐵鈷鎳合金以及鈷鐵硼化合物的至少其中之一。
17. 如申請專利範圍第15項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該陶瓷磁性材料鐵氧磁體(ferrimagnets)，且該陶瓷磁性材料的晶體結構為尖晶石(spinel)、反尖晶石(anti-spinel)，以及鈣鐵礦(perovskite)的至少其中之一。
18. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁 感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器以及該第五磁感測器，為異方性磁阻元件、巨磁阻元件，以及穿隧磁阻元件的至少其中之一，該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器以及該第五磁感測器形成獨立電橋結構再彼此電氣連接，或該第一磁感測器、該第二磁感測器連接形成電橋結構後，再與形成連接電橋之該第四磁感測器以及該第五磁感測器連接。
19. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器，該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器以及該第五磁感測器為分別獨立製造再行組裝置該電路晶片基板上。
20. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器以及該第五磁感測器係直接於該電路晶片基板上以物理性或化學性沉積法與蝕刻法形成。
21. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構之底面與該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第三磁感測器共平面或略高於或略低於該第一磁感測器、該第二磁感測器、該第四磁感測器以及該第五磁感測器器之平面。
22. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構係預先置備再行切割放置於所配置之位置。
23. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中該磁束偏折集中結構係物理性或化學性沉積及蝕刻在該電路晶片基板上形成。
24. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中當第一磁感測器、該第二磁感測器同向排列時，所量測到的該磁通量分量相加，為磁通量在該第一方向或該第二方向的分量，而該磁通量分量相減，為磁通量在該第三方向的分量；反之，當該第一磁感測器、該第二磁感測器23反向排列時，所量測到的磁通量分量相減，為該磁通量在該第一方向或該第二方向的分量，而該磁通量分量相加，為該磁通量在該第三方向的分量，而該第四磁感測器及該第五磁感測器同向排列時，量測到的該磁通量分量相加，為該磁通量在該第二方向或該第一方向的分量，反向排列時，量測到的磁通量分量相減，為該磁通量在該第二方向或該第一方向的分量。
25. 如申請專利範圍第13項所述之平面化之三維磁感測晶片，其中當該第一磁感測器、該第二磁感測器同向排列時，所量測到的磁通量分量相加，可以為該磁通量在該第一方向或該第二方向的分量，而該第一磁感測器、該第二磁感測器反向排列時，所量測到的磁通量分量相減，可以為該磁通量在該第一方向或該第二方向的分量，而該第四磁感測器及該第五磁感測器同向排列時，量測到的該磁通量分量相加，為該磁通量在該第二方向或該第一方向的分量，而該磁通量分量相減，為該磁通量在該第三方向的分量；當該該第四磁感測器及該第五磁感測器反向排列時，量測到的該磁通量分量相減，為該磁通量在該第二方向或該第一方向的分量，而磁通量分量相加，為該磁通量在該第三方向的分量。