TWI493209B

TWI493209B - 一種單晶片三軸磁阻感測裝置

Info

Publication number: TWI493209B
Application number: TW102124118A
Authority: TW
Inventors: Nai Chung Fu; Fu Tai Liou; Jia Mou Lee
Original assignee: Voltafield Technology Corp
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-07-21
Also published as: CN104280699A; TW201502555A; US9651636B2; US20150008913A1; CN104280699B

Description

一種單晶片三軸磁阻感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置，且特別是有關於一種單晶片三軸磁場感測裝置。

傳統磁阻感測裝置100如圖1所示，主要是由設置在基板110上之四個磁阻感測元件120、130、140、150，以惠斯登電橋(Wheatstone bridge)方式彼此電性連接所組成，並可藉由讀取電壓計160之電壓值來得知空間中與基板表面平行之磁場大小。然而習知之磁阻感測裝置只能感測出平行基板表面之單一軸向(即X軸或Y軸)的磁場大小，而無法測得垂直基板表面方向(即Z軸)之磁場大小。

磁阻感測的技術發展至今，雖然已能將用以感測平行基板表面之兩個不同軸向磁場的磁阻感測裝置整合於同一基板上，然而此兩軸向仍然限定在X軸與Y軸。目前仍無技術可達成將X軸、Y軸與Z軸等三軸向之磁阻感測裝置整合於同一基板上，且可避免Z軸之磁阻感測數值不受X軸與Y軸磁場的影響。

因此仍有必要提出一種能於同一基板上對三個軸向的磁場進行磁阻感測的裝置，藉此達成磁阻感測結構的精簡與整合性，並提升不同軸向之磁阻感測數值上的精確性。

本發明之一實施例提供一種三軸單晶片磁阻感測裝置，包含：基板，具有一表面；第一感測模組，包含至少一第一磁阻感測元件並用以感測平行該基板表面的第一磁場分量；第二感測模組，包含至少一第二磁阻感測元件並用以感測平行該基板表面的第二磁場分量；第三感測模組，包含至少一第三磁阻感測元件並用以感測垂直該基板表面的第三磁場分量；及至少一線圈，用以設定/重設定位於其上方或下方之磁阻感測元件的磁化方向，其中該第一磁阻感測元件與該第二磁阻感測元件中的一者及該第三磁阻感測元件係位於該至少一線圈的正上方或正下方。

本發明之另一實施例提供一種三軸單晶片磁阻感測裝置，包含：基板，具有一表面；位於該基板上的第一感測模組，包含至少一第一磁阻感測元件並用以感測平行該基板表面的第一磁場分量；位於該基板上的第二感測模組，包含至少一第二磁阻感測元件並用以感測平行該基板表面的第二磁場分量；位於該基板上的第三感測模組，包含至少一第三磁阻感測元件並用以感測垂直該基板表面的第三磁場分量，其中該第三磁阻感測元件包含：水平磁阻層，實質上平行於該基板表面；導電部，位於該水平磁阻層之上方或下方與其電耦合，且該導電部的長度延伸方向係不平行於該水平磁阻層的長度延伸方向；及磁場感應層，不平行於該基板表面且自該水平磁阻層的一側向上或向下延伸而與該水平磁阻層磁性耦合。

100‧‧‧傳統磁阻感測裝置

110‧‧‧基板

120‧‧‧磁阻感測元件

130‧‧‧磁阻感測元件

140‧‧‧磁阻感測元件

150‧‧‧磁阻感測元件

160‧‧‧電壓計

200a‧‧‧三軸磁場感測裝置

200d‧‧‧三軸磁場感測裝置

200e‧‧‧三軸磁場感測裝置

200f‧‧‧三軸磁場感測裝置

210‧‧‧基板

220a‧‧‧第一感測模組

220d‧‧‧第一感測模組

222a‧‧‧第一磁阻感測元件

230a‧‧‧第二感測模組

230d‧‧‧第二感測模組

232a‧‧‧第二磁阻感測元件

240a‧‧‧第三感測模組

240d‧‧‧第三感測模組

240e‧‧‧第三感測模組

242a‧‧‧第三磁阻感測元件

242e‧‧‧第三磁阻感測元件

243a‧‧‧磁阻感測單元

245a‧‧‧磁場方向調整單元

250‧‧‧線圈

250f1‧‧‧線圈

250f2‧‧‧線圈

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

500‧‧‧導電條

510‧‧‧第一側導電部

520‧‧‧第二側導電部

1100‧‧‧第三磁阻感測元件

1110‧‧‧第三磁阻感測元件

1120‧‧‧第三磁阻感測元件

1200‧‧‧第三磁阻感測元件

1400‧‧‧第三磁阻感測元件

1500‧‧‧第三磁阻感測元件

1600‧‧‧第三磁阻感測元件

2431a‧‧‧水平分量磁性結構

2433a‧‧‧導體結構

D2‧‧‧水平磁阻層之長度延伸方向

H_x‧‧‧第一磁場分量

H_y‧‧‧第二磁場分量

H_z‧‧‧第三磁場分量

i‧‧‧電流

I‧‧‧電流

I’‧‧‧電流

M1‧‧‧第一磁化方向

M2‧‧‧第二磁化方向

M3‧‧‧第三磁化方向

M3’‧‧‧第三磁化方向

M3’’‧‧‧第三磁化方向

M3'''‧‧‧第三磁化方向

M3d1‧‧‧第三磁化方向

M3d2‧‧‧第三磁化方向

M3d3‧‧‧第三磁化方向

M3d4‧‧‧第三磁化方向

θ 1‧‧‧水平磁阻層之長度延伸方向與導電條之長度延伸方向間的夾角

θ 2‧‧‧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

熟知此項技藝者在參照附圖閱讀了下列詳細敘述後，當更瞭解本發明的上述目的與優點，其中：圖1為傳統磁阻感測裝置之示意圖；圖2A為本發明之一實施例之一種單晶片三軸磁場感測裝置的結構示意圖；圖2B為本發明之另一實施例之第三磁阻感測元件於線圈中的設置示意圖；圖2C為本發明之另一實施例之第三磁阻感測元件於線圈中的設置示意圖；圖2D為本發明之另一實施例之三軸度磁場感測裝置的結構示意圖；圖2E為本發明之另一實施例之三軸磁場感測裝置的結構示意圖；圖2F為本發明之另一實施例之具有並聯線圈之三軸磁場感測裝置的結構示意圖；圖3A-3C為本發明之另一實施例之第三磁阻感測元件的結構示意圖；圖4-7為本發明之更另一實施例之第三磁阻感測元件的結構示意圖。

本發明在此所探討的是一種Z軸磁阻感測元件與包含此Z軸磁阻感測元件之單晶片三軸磁阻感測裝置，本發明的單晶片三軸磁阻感測裝置可感測垂直基板表面之Z軸磁場以及平行基板表面之X軸與Y軸磁場，並可以包含感測裝置常用的其他結構如：設定/重設定電路；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，但本發明之單晶片三軸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，舉凡本中所述的裝置、模組、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，對上述的裝置、模組、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)及巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)，其包含鐵磁材料(ferromagnet)、反鐵磁材料(antiferromagnet)、非鐵磁性金屬材料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其中一者經由其他導電結構/物質而流至另一者，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。又，在本說明書中，A與B方向「實質上」平行或「實質上」垂直係指兩者之間的夾角近乎180度或近乎90度，但基於設計上的考量或製程上的偏差，兩者之間的夾角可與180度或90度偏差數度例如偏差1度、3度、5度或7度；此偏差可藉由電路補償、向量合成或其他方式來加以抵消，使得感測的結果達到期望的目的。

圖2A為本發明之一實施例之一種三軸磁場感測裝置的結構示意圖。請參閱圖2A，本發明之三軸磁場感測裝置200a包括基板210、第一感測模組220a、第二感測模組230a、第三感測模組240a以及至少一線圈250。上述線圈250位於基板210上方且平行基板210表面，而第一感測模組220a、第二感測模組230a與第三感測模組240a位於線圈250上方。

上述第一感測模組220a用以感測平行基板210表面之第一磁場分量Hx，其中第一磁場分量H_x例如是X軸向的磁場分量。第一感測模組220a包括至少一第一磁阻感測元件222a。上述第一磁阻感測元件222a具有第一磁化方向M1或M1’，且第一磁化方向M1或M1￠係實質上平行於基板210表面。在一較佳的範例中，第一磁化方向M1或M1’係實質上垂直於第一磁場分量H_x。

上述第二感測模組230a用以感測平行基板210表面之第二磁場分量Hy，其中第二磁場分量H_y例如是Y軸向的磁場分量。第二感測模組230a包括至少一第二磁阻感測元件232a，且第二磁阻感測元件232a具有第二磁化方向M2或M2’。上述第二磁化方向M2或M2’係實質上垂直於第一磁化方向M1或M1’，且第二磁化方向M2或M2’係實質上平行於基板210表面。在一較佳的範例中，第二磁化方向M2或M2’係實質上垂直於第二磁場分量H_y。

上述第三感測模組240a用以感測垂直基板210表面之第三磁場分量H_z。第三感測模組240a包括至少一第三磁阻感測元件242a，其中第三磁阻感測元件242a具有第三磁化方向M3。上述第三磁化方向M3或M3’係實質上平行基板210表面，且第三磁化方向M3或M3’可以是實質上平行於基板210表面的任一方向。

上述第一磁阻感測元件222a、第二磁阻感測元件232a與第三磁阻感測元件242a分別包含磁阻感測單元243a。上述磁阻感測單元243a包括位於基板210上方且實質上平行基板210表面之水平分量磁性結構2431a與導體結構2433a。其中導體結構2433a例如位於水平分量磁性結構2431a之上方或下方，且與水平分量磁性結構2431a電耦合。導體結構2433a較佳地與水平分量磁性結構2431a直接實體接觸。此外，導體結構2433a之長度延伸方向D1與水平分量磁性結構2431a之長度延伸方向D2夾一角度θ 1，此角度θ 1大於零度且小於90度。值得一提的是，水平分量磁性結構2431a的長度延伸方向D2例如實質上垂直於線圈250，而上述角度θ 1例如約為45度或其補角。此外上述導體結構2433a之長度延伸方向D1可依據各個磁組感測元件內之磁化方向的不同而做不同角度的設置。上述導體結構2433a的電阻率係小於水平分量磁性結構2431a的電阻率，因此導體結構2433a可用以改變水平分量磁性結構2431a內之電流的方向。而上述第一磁組感測元件222a之水平分量磁性結構2431a用以因應外加磁場之第一磁場分量H_x而產生電阻值變化；第二磁組感測元件232a之水平分量磁性結構2431a用以因應外加磁場之第二磁場分量H_y而產生電阻值變化；第三磁組感測元件242a之水平分量磁性結構2431a用以因應外加磁場的第三磁場分量H_z而產生電阻值變化。

值得一提的是，上述基板210可包含其他的電路例如包含特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,簡稱ASIC)(圖未示)，用以接收、放大與計算第一感測模組220a、第二感測模組230a與第三感測模組240a所輸出之電阻值。

此外，上述第三磁阻感測元件242a更包含至少一磁場方向調整單元245a，位於基板210上方且位於第三磁組感測元件242a之水平分量磁性結構2431a之至少一側。上述磁場方向調整單元245a例如是垂直分量磁性結構或磁通量導引單元。上述垂直分量磁性結構(圖未示)可形成於一溝槽的側壁上、一凸塊之外圍側壁上、複數個溝槽的複數側壁上(後續將會詳細說明)或複數個凸塊之複數外圍側壁上或上述形式之組合。而上述磁場方向調整單元245a係用以將部分之第三磁場分量H_z的磁通量集中並導引成平行於基板210表面，使第三磁組感測元件242a之水平分量磁性結構2431a得以因應第三磁場分量H_z而產生電阻值變化。

值得一提的是，上述線圈250自內圈的設定/重設定低電位(S/R-)終端出發，沿著順時針的方向螺旋延伸向外，到達外圈的設定/重設定高電位(S/R+)。線圈250係用以設定第一磁化方向M1或M1’、第二磁化方向M2或M2’與第三磁化方向M3或M3’。由於圖2A-2E中的線圈具有相同形狀、迴路及終端電位，故此後便不再贅述。當線圈250被設置在磁阻感測元件之下方時，依照線圈250目前的迴路形式與各個磁阻感測元件在線圈250迴路上的位置，第一磁化方向M1或M1’、第二磁化方向M2或M2’與第三磁化方向M3或M3’可被線圈250設定成各個指向線圈外部且實質上垂直線圈250迴路的方向。但當線圈250被設置在磁阻感測元件之上方時，磁化方向會被設定成各個指向線圈250內部且實質上垂直線圈250迴路的方向。應注意，根據本發明之線圈的形狀不限於八角形，其可以是其他多角形如四角形或圓角化的多角形或甚至圓形；且磁阻感測元件可以類似間距分佈於線圈之上或之下。

在圖2A的實施例中，第三感測模組240a中位於線圈250上部的兩個第三磁阻感測元件242a與位於線圈250下部的另兩個第三磁阻感測元件242a分別具有指向線圈外部的第三磁化方向M3與M3’；第二感測模組230a中位於線圈250右部的兩個第二磁阻感測元件232a與位於線圈250左部的另兩個第二磁阻感測元件232a分別具有指向線圈外部的第二磁化方向M2與M2’；第一感測模組220a中位於線圈250上部的兩個第一磁阻感測元件222a與位於線圈250下部的另兩個第一磁阻感測元件222a分別具有指向線圈外部的第一磁化方向M1與M2’。

此外，本發明之三軸磁場感測裝置之第一感測模組220a例如可包括組成惠斯登電橋之四個或四的倍數之第一磁阻感測元件222a；第二感測模組230a例如可包括組成惠斯登電橋之四個或四的倍數之第二磁阻感測元件232a；第三感測模組240a例如可包括組成惠斯登電橋之四個或四的倍數之第三磁阻感測元件242a。圖2A則以分別組成惠斯登電橋之四個第一磁阻感測元件222a、四個第二磁阻感測元件232a與四個第三磁阻感測元件242a所組成之三軸磁場感測裝置200a為範例。

此外，雖然第三磁阻感測元件242a之第三磁化方向M3或M3’可以是平行於基板210的任一方向，但第三磁化方向M3或M3’需指向線圈外部且垂直線圈250之迴路，因此第三磁阻感測元件 242a可以設置於線圈250迴路的各個位置而因應其位置有不同方向的磁化方向。在本實施例之第三感測模組中，組成惠斯登電橋之數個第三磁阻感測元件242a中，兩個第三磁阻感測元件242a具有實質上相同之第三磁化方向M3，另兩個第三磁阻感測元件242a具有實質上相同之第三磁化方向M3’，但第三磁化方向M3’與第三磁化方向M3實質上相反，亦即第三磁化方向M3’與第三磁化方向M3彼此夾角約為180度。但本發明的第三感測模組不為此限。

圖2B之第三感測模組240b則以皆具有相同之第三磁化方向M3的四個第三磁阻感測元件242a為範例。圖2C之第三感測模組240c則以第三磁化方向M3與M3’’呈直角的兩組第三磁阻感測元件242a為範例，每一組第三磁阻感測元件中包含兩個第三磁阻感測元件。然而本發明之第三感測模組於線圈上的設置樣態並不以上述為限。

圖2D為本發明之一較佳實施例之三軸磁場感測裝置的結構示意圖。請參閱圖2D。利用同樣的概念，本發明提出一種三軸磁場感測裝置200d，包括基板210、位於基板210上方之至少一線圈250，以及位於線圈250上方之第一感測模組220d、第二感測模組230d與第三感測模組240d。上述第一感測模組220d包括組成惠斯登電橋之八個第一磁阻感測元件222a；第二感測模組230d包括組成惠斯登電橋之八個第二磁阻感測元件232a；第三感測模組240d包括組成惠斯登電橋之八個第三磁阻感測元件242a。且上述八個第三磁阻感測元件242a中，兩個具有相同磁化方向之第三磁阻感測元件242a為一組，共四組，分別具有四個不同方向的第三磁化方向M3、第三磁化方向M3’、第三磁化方向M3’’與第三磁化方向M3'''。其中第三磁化方向M3與第三磁化方向M3’’夾實質上90度角；第三磁化方向M3與第三磁化方向M3’夾實質上180度角；第三磁化方向M3’與第三磁化方向M3'''夾實質上90度角。在此實施例中，第三感測模組240d不只是包含長度延伸方向為y方向的第三磁阻感測元件，還包含了長度延伸方向為x方向的第三磁阻感測元件，這讓第三感測模組240d較平衡且較靈敏。然而本發明之第三感測模組於線圈上的設置樣態並不以上述為限。

圖2E為本發明之另一實施例之三軸磁場感測裝置的結構示意圖，為了強調第三感測模組中各個第三磁阻感測元件相對於線圈的配置，省略第一、第二、第三感測模組中的電連接。請參閱圖2E。利用同樣的概念，本發明提出一種三軸磁場感測裝置200e，與圖2D之三軸磁場感測裝置200d結構類似，差別在於三軸磁場感測裝置200e之第三感測模組240e於線圈250上的設置位置不同於第三感測模組240d於線圈250上的設置位置。本發明之第三感測模組240e亦包括組成惠斯登電橋之八個第三磁阻感測元件242e。在八個第三磁阻感測元件242e中，兩個具有相同磁化方向之第三磁阻感測元件242e為一組，共四組，分別具有四個不同方向之第三磁化方向M3d1、第三磁化方向M3d2、第三磁化方向M3d3與第三磁化方向M3d4。上述四個第三磁化方向皆實質上垂直線圈250的迴路。且上述第三磁化方向M3d1與第三磁化方向M3d2例如分別與第一磁化方向M1夾約±45度角；而第三磁化方向M3d3與第三磁化方向M3d4例如分別與第一磁化方向M1’夾約±45度角。其中第三磁化方向M3d1與第三磁化方向M3d2夾約90度角；第三磁化方向M3d1與第三磁化方向M3d3夾約180度角；第三磁化方向M3d2與第三磁化方向M3d4夾約180度角。然而本發明之第三感測模組於線圈上的設置樣態並不以上述為限。

值得一提的是，本發明之三軸磁場感測器可包含串連線圈(如圖2A、圖2D與圖2E所示)、並聯線圈、數個獨立線圈或上述形式之組合，為了強調線圈配置以及各個感測模組相對於線圈的配置，省略第一、第二、第三感測模組中的電連接。而在並聯線圈中，第一感測模組、第二感測模組與第三感測模組中的兩者會位於相同之線圈上。利用此概念，本發明提出一種具有並聯線圈250f1與250f2之三軸磁場感測裝置200f，如圖2F所示。於本發明之三軸磁場感測裝置200f中，線圈250f1之上或之下有第二感測模組230d以及第三感測模組240d，而線圈250f2之上或之下有第一感測模組220d與第三感測模組240d。其中線圈250f1與線圈250f2係以並聯的方式相互電性連結。然而本發明之線圈的連結形式不以上述為限。

在本文中雖然未詳細敘述線圈、第一磁阻感測元件、第二磁阻感測元件與第三磁阻感測元件的製造方法，但應瞭解，為了隔絕不同元件之間的功能運作、電位連接，此些元件可位於一或多層絕緣層中彼此電隔絕，若有需要電連接可利用金屬內連線來加以達成。又，線圈可利用金屬內連線的其中的層來加以達成，其材料可與導體結構2433a相同或不同，例如是包含銅、鋁、鎢、鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、錳或其組合等材料。此外，為了製程的便利及成本的考量，第一磁阻感測元件、第二磁阻感測元件與第三磁阻感測元件的水平分量磁性結構2431a可以是具有相同材料的同一層，此三者的導體結構2433a也可以是具有相同材料的同一層。意即，在製造的過程中，第一磁阻感測元件、第二磁阻感測元件與第三磁阻感測元件的水平分量磁性結構2431a是以相同的沈積、微影與蝕刻製程所製作，此三者的導體結構2433a也是以相同的沈積、微影與蝕刻製程所製作。

圖3A顯示根據本發明之另一實施例之第三磁阻感測元件1100的結構。本發明之第三磁阻感測元件1100(對應至圖2A中的第三磁阻感測元件242a)主要包含水平磁阻層400(對應至圖2A中的水平分量磁性結構2431a)、非水平之磁場感應層300(對應至圖2A中的磁場方向調整單元245a)以及導電條500(對應至圖2A中的導體結構2433a)。長形的水平磁阻層400位於基板210上方並與基板210實質上平行，具有長、窄的薄板形狀但末端不見得需要尖縮收斂，其可如圖3B或3C所示，具有平的末端或圓角化的末端。在此實施例中，水平磁阻層400的長度方向(對應至圖2A中的長度延伸方向D2)實質上為Y方向，但應瞭解，本實施例只顯示本文中所述之眾多第三磁阻感測元件中的一者，故其他第三磁阻感測元件之水平磁阻層(即前面圖中的水平分量磁性結構)可具有沿著X方向或其他方向延伸的長度方向。在本實施例中，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之靠近-X方向的第二側。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)，其可自水平磁阻層400的第一側或第二側向下或向上延伸(在圖3A中係自第一側向下延伸)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。

導電條500(對應至圖2A中的導體結構2433a)係以不平行水平磁阻層400(對應至圖2A中的水平分量磁性結構2431a)的方式設置在水平磁阻層400的上方或下方且與其電接觸較佳地實體接觸，用以改變原有磁阻材料內的電流方向，使電流i的方向與磁阻材料的磁化方向(如圖2A所示，實質上平行於水平磁阻層400之長度延伸方向)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、且其長度延伸方向(D1)皆與水平磁阻層400的長度延伸方向(D2)夾一銳角θ 1。導電條500的長度延伸方向(D1)係較佳地與水平磁阻層400的長度延伸方向(D1)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，主要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間的最短路徑為圖3A所示之電流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400à導電條500(導電條500間的水平磁阻層400(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(D2)夾一角度θ 2。在此實施例中，θ 1與θ 2之總和為90度。

再參考圖3B與3C，其分別顯示根據本發明更另一實施例之第三磁阻感測元件1110與1120。第三磁阻感測元件1110與1120的結構係類似於圖3A中所示之第三磁阻感測元件1100，其差異在於，第三磁阻感測元件1110與1120的水平磁阻層410與420在末端處分別具有平的或圓角化的形狀而非如圖3A中的水平磁阻層400具有尖縮的末端。應注意，若將圖3A、3B與3C中所示之第三磁阻感測元件1100、1110與1120的下矩形溝槽(以及其側壁上的磁場感應層300、連接磁阻層310與對向磁阻層320)捨去不看，則此些第三磁阻感測元件1100、1110與1120可代表圖2A-2F中的第一磁阻感測元件222a與第二磁阻感測元件232a。為了達到惠斯頓電橋運作的目的，可針對線圈不同位置處之第一或第二磁阻感測元件適當調整圖3A、3B與3C中導電條的延伸方向(第一側上第二側下或第一側下第二側上)。

現在參考圖4，其顯示根據本發明另一實施例之第三磁阻感測元件1200的上視圖。第三磁阻感測元件1200(對應至圖2A中的第三磁阻感測元件242a)主要包含水平磁阻層400(對應至圖2A中的水平分量磁性結構2431a)、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，對應至圖2A中的磁場方向調整單元245a)、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，在圖2A中無對應物)、複數第一側導電部510以及複數第二側導電部520(兩者共同對應至圖2A中的導體結構2433a，功能類似但形狀與位向不同)。第三磁阻感測元件1200之水平磁阻層400的形狀、材料、位向與圖3A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3A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的第一側向上或向下延伸(此實施例中為向下延伸)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，第三磁阻感測元件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的第二側向上或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3A相較，在圖4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(D2)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(D2)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(D2)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(D2)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400à第一側導電部510à第一側導電部510與第二側導電部520間的水平磁阻層400à第二側導電部520à第二側導電部520與第一側導電部510間的水平磁阻層400…)。

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)。

現參考圖5-7，其顯示根據本發明其他實施例之第三磁阻感測元件的平面圖。在詳細說明過圖4之第三磁阻感測元件1200後，應不難理解，圖4之說明可作為瞭解圖5-7之實施例的基礎，因此相同之處便不重覆說明。圖5中之第三磁阻感測元件1400與第三磁阻感測元件1200之差異在於，圖4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5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4相同，在此便不贅述。

圖6中之第三磁阻感測元件1500與第三磁阻感測元件1200之差異有數點。首先，圖4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6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。再者，圖6中磁場感應層300與磁場感應層350雖沿著水平磁阻層400的長度延伸方向(D2)交錯配置但兩者的交疊範圍較大。其餘，圖4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(D2)交錯配置，但圖6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(D2)以對稱方式配置。

由於上述之差異，當第三磁阻感測元件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400à第一側導電部510à第一側導電部510間的水平磁阻層400à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400à第二側導電部520à第二側導電部520間的水平磁阻層400à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(D2)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(D2)間的夾角。夾角的數值取決於平行四邊形之對邊的斜度。

圖7中之第三磁阻感測元件1600與第三磁阻感測元件1200之差異有數點。圖4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7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(D2)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(D2)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，由於在第三磁阻感測元件1100、1110與1120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，因此第三磁阻感測元件1100、1110與1120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1100、1110與1120或增加額外的電路使得此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。

由於在第三磁阻感測元件1200、1400、1500與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，因此當外在對此些第三磁阻感測元件加諸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，使得此些第三磁阻感測元件的輸出變化趨近為零。當外在對此些第三磁阻感測元件加諸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，使得此些第三磁阻感測元件的輸出產生變化。

應瞭解，圖3A、3B、3C、4、5、6與7中所示之第三磁阻感測元件1100、1110、1120、1200、1400、1500與1600中的任一者或其組合皆可用來代替圖2A-2F中的第三磁阻感測元件242a或242e。又，圖3A、3B與3C中所示之第三磁阻感測元件1100、1110與1120僅顯示了本發明之各種第三磁阻感測元件中的一些實例，為了達到惠斯頓電橋運作的目的，可針對線圈不同位置處之第三磁阻感測元件適當調整圖此些圖示中磁場感應層300的位向(位於水平磁阻層的第一側或第二側)或導電條500的延伸方向(第一側上第二側下或第一側下第二側上)。應注意的是，在圖3B與3C中對水平磁阻層400所作的變化，可應用至所有的第三磁阻感測元件1200、1400、1500與1600，意即，所有的第三磁阻感測元件可具有尖縮、平的或圓角化的末端。

綜上所述，本發明係提供一種可感測垂直基板表面(即Z軸方向)之磁場的感測元件，並利用單一製程將分別用以感測三個不同軸向(即X軸、Y軸、Z軸)之磁場感測模組整合於單一基板上，以提供一種小尺寸之磁場感測裝置。此外本發明利用於此基板上之線圈迴路對上述各個用於感測不同軸向之磁場感測模組同時進行磁化方向的設定。並且，依照線圈迴路的形式與磁場感測元件在線圈迴路上的設置位置，使得本發明之線圈迴路可同時對各個磁場感測元件進行各種磁化方向的設定。因此本發明所提供之三軸磁場感測裝置除了可利用簡單的製程來製作外，亦可達成精確感測各軸向磁場分量的目的。

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。