TWI565958B - 磁場感測裝置及磁場感測模組 - Google Patents

Description

磁場感測裝置及磁場感測模組

本發明是有關於一種磁場感測裝置與磁場感測模組。

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。

一種習知技術是採用複合式感測元件的方法來達到三軸的感測，具體而言，其利用兩個彼此垂直配置的巨磁阻（giant magnetoresistance, GMR）多層膜結構（或穿隧磁阻（tunneling magnetoresistance, TMR）多層膜結構）與一個霍爾元件（Hall element）來達到三軸的感測。然而，由於霍爾元件的感測靈敏度不同於巨磁阻多層膜結構（或穿隧磁阻多層膜結構）的感測靈敏度，這會造成其中一軸上的精確度與其他兩軸上的精確度不同。如此一來，當使用者將可攜式電子裝置旋轉至不同的角度時，將導致對同一磁場的感測靈敏度不同，進而造成使用上的困擾。

在習知技術中，為了達到磁場的多軸感測，通常採用了二次以上的製程，也就是採用了兩塊以上的晶圓的製程來製作出多軸向磁場感測模組，如此將使製程複雜化，且難以降低製作成本。此外，如此亦使得磁場感測裝置難以進一步縮小。

本發明提供一種磁場感測裝置，其具有較為簡化的結構，且可具有較小的體積。

本發明提供一種磁場感測模組，其具有較為簡化的結構，且可具有較小的體積。

本發明的一實施例提出一種磁場感測裝置，包括一基板、一第一磁場感測單元、一第二磁場感測單元、一第三磁場感測單元及一切換電路。基板具有一表面及相對此表面以不同方向傾斜的一第一斜面與一第二斜面。第一磁場感測單元包括多個連接成惠斯登全橋（Wheatstone full bridge）且配置於此表面上的磁阻感測器，且用以感測一第一方向的磁場分量。第二磁場感測單元包括多個連接成惠斯登半橋（Wheatstone half bridge）且配置於第一斜面上的磁阻感測器。第三磁場感測單元包括多個連接成惠斯登半橋且配置於第二斜面上的磁阻感測器。切換電路電性連接第二磁場感測單元與第三磁場感測單元，且用以將第二磁場感測單元與第三磁場感測單元切換至兩個不同的惠斯登全橋。兩個不同的惠斯登全橋用以分別感測一第二方向的磁場分量與一第三方向的磁場分量。

在本發明的一實施例中，第一磁場感測單元、第二磁場感測單元及第三磁場感測單元的這些磁阻感測器為異向性磁阻感測器（anisotropic magnetoresistance sensor, AMR sensor）。

在本發明的一實施例中，第一方向、第二方向及第三方向彼此實質上垂直。

在本發明的一實施例中，第一方向、第二方向及第三方向的至少其中二者彼此不垂直。

在本發明的一實施例中，第二磁場感測單元的這些磁阻感測器的感測軸實質上平行於第一斜面的傾斜延伸方向，且第三磁場感測單元的這些磁阻感測器的感測軸實質上平行於第二斜面的傾斜延伸方向。

在本發明的一實施例中，第一磁場感測單元的這些磁阻感測器的感測軸實質上垂直於第一斜面的傾斜延伸方向，且垂直於第二斜面的傾斜延伸方向。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一第一磁化方向設定元件及一第二磁化方向設定元件。第一磁化方向設定元件配置於第一磁場感測單元旁，且用以設定第一磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。第二磁化方向設定元件配置於第二磁場感測單元與第三磁場感測單元旁，且用以設定第二磁場感測單元與第三磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。

本發明的一實施例提出一種磁場感測模組，包括一磁場感測單元及一磁化方向設定元件。磁場感測單元包括多個連接成惠斯登電橋的磁阻感測器，且用以感測一方向的磁場分量。磁化方向設定元件配置於磁場感測單元旁，且用以設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。磁化方向設定元件包括一第一螺旋狀導電單元、一第二螺旋狀導電單元及一第三螺旋狀導電單元。第二螺旋狀導電單元電性連接於第一螺旋狀導電單元與第三螺旋狀導電單元之間，且第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且不同於第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。

在本發明的一實施例中，當一電流依序流經第一螺旋狀導電單元、第二螺旋狀導電單元及第三螺旋狀導電單元時，屬於惠斯登電橋的一半橋的這些磁阻感測器的正上方或正下方的電流流向一第一方向，屬於惠斯登電橋的另一半橋的這些磁阻感測器的正上方或正下方的電流流向一第二方向，其中第一方向相反於第二方向。

本發明的一實施例提出一種磁場感測模組，包括一磁場感測單元及一磁化方向設定元件。磁場感測單元包括多個連接成惠斯登電橋的磁阻感測器，且用以感測一方向的磁場分量。磁化方向設定元件配置於磁場感測單元旁，且用以設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。磁化方向設定元件包括多個第一導電段、多個第二導電段、多個第一導電貫孔及多個第二導電貫孔。這些第一導電段配置於磁場感測單元的上側與下側之一，且這些第二導電段配置於磁場感測單元的上側與下側之另一。這些第一導電貫孔將部分的這些第一導電段與部分的這些第二導電段連接成一第一螺旋狀導電單元，而這些第二導電貫孔將另一部分的這些第一導電段與另一部分的這些第二導電段連接成一第二螺旋狀導電單元，其中第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。

在本發明的一實施例中，這些第一導電段之一為一U形導電段，U形導電段的一部分屬於第一螺旋狀導電單元，且U形導電段的另一部分屬於第二螺旋狀導電單元。

在本發明的一實施例中，這些第一導電段與這些第二導電段部分重疊。

在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於第二磁場感測單元與第三磁場感測單元可經由電路切換成兩個不同的惠斯登全橋，以分別感測第二方向與第三方向的磁場分量，因此磁場感測裝置可以採用較少的磁阻感測器就可以感測三個方向的磁場分量。如此一來，便能夠簡化磁場感測裝置的架構，且縮小磁場感測裝置的體積。在本發明的實施例的磁場感測模組中，由於第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且不同於第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，因此可以利用簡單的三個螺旋導電單元就能夠有效設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向，因此本發明的實施例的磁場感測模組的架構簡單，且體積可以較小。在本發明的實施例的磁場感測模組中，由於第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，因此可以採用簡單的多個第一導電段、多個第二導電段及導電貫孔就能夠有效設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。所以，本發明的實施例的磁場感測模組的架構簡單，且體積可以較小。

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為本發明之一實施例之磁場感測裝置的立體示意圖，圖1B為圖1A之磁場感測裝置的剖面示意圖，而圖1C為圖1A中的磁場感測模組的爆炸圖，其中為了便於說明，圖1A中省略了圖1B中的磁化方向設定元件。請參照圖1A至圖1C，本實施例的磁場感測裝置100包括一基板110、一第一磁場感測單元120、一第二磁場感測單元130、一第三磁場感測單元140及一切換電路150（如圖1B所繪示）。基板110具有一表面112及相對表面112以不同方向傾斜的一第一斜面114與一第二斜面116。在本實施例中，基板110例如為空白的矽基板（blank silicon）、玻璃基板或具有超大型積體電路（very large scale integrated-circuit, VLSI）或大型積體電路（large scale integrated-circuit, LSI）的矽基板。

第一磁場感測單元120包括多個連接成惠斯登全橋且配置於表面112上的磁阻感測器122，且用以感測一第一方向（例如x方向）的磁場分量。第二磁場感測單元130包括多個連接成惠斯登半橋且配置於第一斜面114上的磁阻感測器132。第三磁場感測單元140包括多個連接成惠斯登半橋且配置於第二斜面116上的磁阻感測器142。切換電路150電性連接第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140，且用以將第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140切換至兩個不同的惠斯登全橋。兩個不同的惠斯登全橋用以分別感測一第二方向（例如y方向）的磁場分量與一第三方向（例如z方向）的磁場分量。在本實施例中，x方向、y方向與z方向彼此互相垂直。換言之，在本實施例中，第一方向、第二方向及第三方向彼此實質上垂直。然而，在其他實施例中，第一方向、第二方向及第三方向的至少其中二者彼此不垂直，而第一方向、第二方向及第三方向彼此不同向。在本實施例中，x方向與y方向實質上皆平行於基板110的表面112，而z方向垂直於基板110的表面112。

在本實施例中，第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140的這些磁阻感測器122、132及142為異向性磁阻感測器（anisotropic magnetoresistance sensor, AMR sensor）。然而，在其他實施例中，這些磁阻感測器122、132及142亦可以是巨磁阻感測器（giant magnetoresistance sensor, GMR sensor）、穿隧磁阻感測器（tunneling magnetoresistance sensor, TMR sensor）、磁通閘（flux gate）或磁阻抗感測器（magneto-impedance sensor）。

在本實施例中，第一磁場感測單元120的這些磁阻感測器122的感測軸A1實質上垂直於第一斜面114的傾斜延伸方向D1，且垂直於第二斜面116的傾斜延伸方向D2，如圖1A與圖1C所繪示。具體而言，在本實施例中，每一磁阻感測器122可包括多個串聯的異向性磁電阻（anisotropic magnetoresistor）123，每一異向性磁電阻123的延伸方向實質上平行於y方向，且每一異向性磁電阻123的短軸實質上平行於x方向，且此短軸即為磁阻感測器122的感測軸A1。

在本實施例中磁阻感測器122a與122b的磁化方向例如是朝向-y方向，磁阻感測器122c與122d的磁化方向例如是朝向+y方向。此外，每一異向性磁電阻123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123的延伸方向（例如為y方向）傾斜45度延伸的多個短路棒（electrical shorting bar）127，這些短路棒彼此相間隔且平行地設置於鐵磁膜（ferromagnetic film）125上，而鐵磁膜125為異向性磁電阻123的主體，其延伸方向即為異向性磁電阻123的延伸方向。在本實施例中，磁阻感測器122a的短路棒127的延伸方向與磁阻感測器122c的短路棒127的延伸方向實質上相同，磁阻感測器122b的短路棒127的延伸方向與磁阻感測器122d的短路棒127的延伸方向實質上相同，而磁阻感測器122a的短路棒127的延伸方向不同於磁阻感測器122b的短路棒127的延伸方向，兩者例如是相差90度。

藉由上述磁阻感測器122a～122d的磁化方向及短路棒127方向的設置，當一外來磁場在+x方向有磁場分量時，磁阻感測器122b與122c的電阻會有+ΔR的變化，而磁阻感測器122a與122d的電阻會有-ΔR的變化，所以當端點Q1與端點Q2被施加一電壓差時，端點Q3與端點Q4便會存在一電壓差，且此電壓差的大小與x方向磁場分量的大小呈現正相關。如此一來，便可以藉由端點Q3與端點Q4的電壓差來得知x方向磁場分量的大小，這樣第一磁場感測單元120便可以實現x方向磁場分量的感測。

磁阻感測器122a～122d的磁化方向及短路棒127方向的設置並不限於上述之設置方式，在其他實施例中，磁阻感測器122a～122d的磁化方向及短路棒127方向亦可以有其他配置方向上的設置，只要當有x方向磁場分量存在而端點Q1與端點Q2被施加一電壓差時，端點Q3與端點Q4會產生電壓差即可，或只要當有x方向磁場分量存在而端點Q3與端點Q4被施加一電壓差時，端點Q1與端點Q2會產生電壓差即可。

在本實施例中，第二磁場感測單元130的這些磁阻感測器132的感測軸A2實質上平行於第一斜面114的傾斜延伸方向D1，且第三磁場感測單元140的這些磁阻感測器142的感測軸A3實質上平行於第二斜面116的傾斜延伸方向D2。具體而言，每一磁阻感測器132的多個彼此串聯的異向性磁電阻的延伸方向實質上平行於x方向，且這些異向性磁電阻彼此平行地且沿著傾斜延伸方向D1排列於第一斜面114上。另外，每一磁阻感測器132的短路棒的延伸方向與異向性磁電阻的延伸方向夾45度。此外，每一磁阻感測器142的多個彼此串聯的異向性磁電阻的延伸方向實質上平行於x方向，且這些異向性磁電阻彼此平行地且沿著傾斜延伸方向D2排列於第二斜面116上。此外，每一磁阻感測器142的短路棒的延伸方向與異向性磁電阻的延伸方向夾45度。

圖2A為圖1A之第二磁場感測單元與第三磁場感測單元在感測y方向磁場分量時的等效電路圖，而圖2B為圖1A之第二磁場感測單元與第三磁場感測單元在感測z方向磁場分量時的等效電路圖。請先參照圖1A與圖2A，當外在磁場具有+y方向磁場分量時，藉由這些磁阻感測器132與142的磁化方向與短路棒的延伸方向的適當配置方式，可使得磁阻感測器132a與142a的電阻產生+ΔR的變化，且使磁阻感測器132b與142b的電阻產生   -ΔR的變化，此時透過切換電路150的切換，可使得端點P3與端點P6都電性連接至端點P7，且使端點P4與端點P5都電性連接至端點P8，而使得第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140電性連接成一種惠斯登全橋。此時，端點P1與端點P2被施加一電壓差，如此端點P7與端點P8之間變會產生電壓差，且端點P7與端點P8之間的電壓差的絕對值與y方向磁場分量的絕對值呈正相關。如此一來，便可利用端點P7與端點P8之間的電壓差來得到y方向磁場分量的大小，而使得第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140實現y方向磁場分量的感測。

請再參照圖1A與圖2B，當外在磁場具有+z方向磁場分量時，磁阻感測器132b與142a的電阻會產生+ΔR的變化，且磁阻感測器132a與142b的電阻會產生-ΔR的變化，此時透過切換電路150的切換，可使得端點P3與端點P5都電性連接至端點P7，且使端點P4與端點P6都電性連接至端點P8，而使得第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140電性連接成另一種惠斯登全橋。此時，端點P1與端點P2被施加一電壓差，如此端點P7與端點P8之間變會產生電壓差，且端點P7與端點P8之間的電壓差的絕對值與z方向磁場分量的絕對值呈正相關。如此一來，便可利用端點P7與端點P8之間的電壓差來得到z方向磁場分量的大小，而使得第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140實現z方向磁場分量的感測。

在本實施例的磁場感測裝置100中，由於第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140可經由電路切換成兩個不同的惠斯登全橋，以分別感測第二方向（例如y方向）與第三方向（例如z方向）的磁場分量，因此磁場感測裝置100可以採用較少的磁阻感測器122、132、142就可以感測三個方向的磁場分量。如此一來，便能夠簡化磁場感測裝置100的架構，且縮小磁場感測裝置100的體積。此外，藉由切換電路150將第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140切換成分別用以感測第二方向與第三方向的兩個惠斯登全橋，可使對應於第二方向磁場分量與對應於第三方向磁場分量的訊號直接從這兩個惠斯登全橋輸出，而可以不用透過計算電路來計算才能獲得。因此，磁場感測裝置100可具有較簡單的架構，進而降低製作成本。

在本實施例中，磁場感測裝置100更包括一第一磁化方向設定元件200及一第二磁化方向設定元件300。第一磁化方向設定元件200配置於第一磁場感測單元120旁，且用以設定第一磁場感測單元120的這些磁阻感測器122的磁化方向。第二磁化方向設定元件300配置於第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140旁，且用以設定第二磁場感測單元130與第三磁場感測單元140的這些磁阻感測器132與142的磁化方向。

具體而言，在本實施例中，第一磁化方向設定元件200與第二磁化方向設定元件300各包括一第一螺旋狀導電單元210、一第二螺旋狀導電單元220及一第三螺旋狀導電單元230，以下舉第一磁化方向設定元件200為例。第二螺旋狀導電單元220電性連接於第一螺旋狀導電單元210與第三螺旋狀導電單元230之間，且第二螺旋狀導電單元220的螺旋延伸方向不同於第一螺旋狀導電單元210的螺旋延伸方向，且不同於第三螺旋狀導電單元230的螺旋延伸方向。在本實施例中，螺旋延伸方向例如是定義為當第一螺旋狀導電單元210、第二螺旋狀導電單元220及第三螺旋狀導電單元230串接起來時電流的流向。

請參照圖1C，當電流從端點C1注入時，依序經由導電段240與端點C2流入第一螺旋狀導電單元210，且電流在第一螺旋狀導電單元210中以逆時針方向流至端點C3。接著，電流從端點C3經由導電段250流至端點C4。然後，電流從端點C4以順時針方向流經第二螺旋狀導電單元220後，再以逆時針方向流經第三螺旋狀導電單元230而流至端點C5。最後，電流從端點C5經由導電段260流至端點C6，並從端點C6流出。因此，在圖1C中，第一螺旋狀導電單元210的螺旋延伸方向為逆時針，第二螺旋狀導電單元220的螺旋延伸方向為順時針，而第三螺旋狀導電單元230的螺旋延伸方向為逆時針。

在本實施例中，第一螺旋狀導電單元210與第二螺旋狀導電單元220之分別具有電流流向E1、E2與E2的導電段是位於磁阻感測器122a與122b的正上方，其中電流流向E1、E2及E3是朝向+x方向，因此能將磁阻感測器122a與122b的磁化方向設定為-y方向。此外，第二螺旋狀導電單元220與第三螺旋狀導電單元230之分別具有電流流向E4、E5與E6的導電段是位於磁阻感測器122c與122d的正上方，其中電流流向E4、E5及E6是朝向-x方向，因此能將磁阻感測器122c與122d的磁化方向設定為+y方向。如此一來，當第一磁化方向設定元件200通電時，便能夠將磁阻感測器122a～122d的磁化方向設定至適當的初始值，而使第一磁場感測單元120接下來可以正確地感測x方向的磁場分量。

換言之，當電流依序流經第一螺旋狀導電單元210、第二螺旋狀導電單元220及第三螺旋狀導電單元230時，屬於惠斯登電橋的一半橋的這些磁阻感測器122a與122b的正上方或正下方（例如正上方）的電流流向一第一方向（例如+x方向），屬於惠斯登電橋的另一半橋的這些磁阻感測器122c與122d的正上方或正下方（例如正上方）的電流流向一第二方向（例如-x方向），其中第一方向（例如+x方向）相反於第二方向（例如-x方向）。

同理，第二磁化方向設定元件300的第一螺旋狀導電單元210、第二螺旋狀導電單元220及第三螺旋狀導電單元230可以配置於第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140上方。此外，第一磁化方向設定元件200的第一螺旋狀導電單元210、第二螺旋狀導電單元220及第三螺旋狀導電單元230是沿著y方向排列，然而，第二磁化方向設定元件300的第一螺旋狀導電單元210、第二螺旋狀導電單元220及第三螺旋狀導電單元230可以是沿著x方向排列，以適合設定磁阻感測器132a、132b、142a、142b的磁化方向。

在本實施例中，第一磁化方向設定元件200與第一磁場感測單元120可形成一磁場感測模組400，以量測x方向磁場分量。此外，第二磁化方向設定元件300、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140可形成一磁場感測模組500，以量測y方向磁場分量與z方向磁場分量。

在本實施例的磁場感測模組400、500中，由於第二螺旋狀導電單元220的螺旋延伸方向不同於第一螺旋狀導電單元210的螺旋延伸方向，且不同於第三螺旋狀導電單元230的螺旋延伸方向，因此可以利用簡單的三個螺旋導電單元就能夠有效設定磁場感測單元（例如第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130、第三磁場感測單元140）的這些磁阻感測器122、132、142的磁化方向，因此本實施例的磁場感測模組400、500的架構簡單，且體積可以較小。

另外，由於第一磁化方向設定元件200與第二磁化方向設定元件300的架構較為簡單，繞線長度較短，使得電阻較小，因此在相同的施加電壓下電流可以較大，以使得其所產生的磁場較強。如此一來，便可以使磁場感測模組400、500有較大的感測範圍。

此外，藉由第一磁化方向設定元件200與第二磁化方向設定元件300可以初始化第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140的磁化方向配置，使得第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140在強外在磁場的衝擊之後，仍然能夠被正常使用。另外，藉由改變第一磁化方向設定元件200與第二磁化方向設定元件300的電流方向，以形成第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140的不同的磁化方向配置，可量測出第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130及第三磁場感測單元140的動態系統偏移量（dynamic system offset）。藉由將量測值扣除動態系統偏移量，將可更快速地獲得正確的磁場分量數值。同理，也可扣除低頻雜訊（low frequency noise），以使得所測得的磁場分量數值更為準確。

圖3為本發明之另一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。請參照圖3，本實施例的磁場感測模組400a與圖1C的磁場感測模組400類似，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例的磁場感測模組400a中，第一磁化方向設定元件200a包括多個第一導電段210a、多個第二導電段220a、多個第一導電貫孔230a及多個第二導電貫孔240a。這些第一導電段210a配置於第一磁場感測單元120的上側與下側之一（在本實施例中例如是上側），而這些第二導電段220a配置於第一磁場感測單元120的上側與下側之另一（在本實施例中例如是下側）。這些第一導電貫孔230a將部分的這些第一導電段210a與部分的這些第二導電段220a連接成一第一螺旋狀導電單元250a，這些第二導電貫孔240a將另一部分的這些第一導電段210a與另一部分的這些第二導電段220a連接成一第二螺旋狀導電單元260a，其中第一螺旋狀導電單元250a的螺旋延伸方向不同於第二螺旋狀導電單元260a的螺旋延伸方向。

在本實施例中，經由接點270a流入第一導電段211的電流會流經第一導電段211而流至第一導電貫孔231，然後再流經第二導電段221而流至第一導電貫孔232。接著，電流從第一導電貫孔232流經第一導電段212的第一部分2121，至此，電流呈現順時針方向的流動，而第一導電段211、第一導電貫孔231、第二導電段221、第一導電貫孔232及第一導電段212的第一部分2121即形成第一螺旋狀導電單元250a，而其螺旋延伸方向為順時針方向。

接著，電流從第一部分2121流至第一導電段212的第二部分2122，然後在流經第二部分2122後經由第二導電貫孔241流至第二導電段222。之後，電流從第二導電段222經由第二導電貫孔242流至第一導電段213。最後，電流從第一導電段流至接點280a，並從接點280a流出第一磁化方向設定元件200a。如此一來，從第二部分2122開始，電流便呈現逆時針方向流動，而第二部分2122、第二導電貫孔241、第二導電段222、第二導電貫孔242及第一導電段213便形成第二螺旋狀導電單元260a，而其螺旋延伸方向為逆時針方向。

在本實施例中，第一螺旋狀導電單元250a纏繞磁阻感測器122a與122b，因此可將磁阻感測器122a與122b的磁化方向設定為-y方向。此外，第二螺旋狀導電單元260a纏繞磁阻感測器122c與122d，因此可將磁阻感測器122c與122d的磁化方向設定為+y方向。

在本實施例中，這些第一導電段210a之一（例如為第一導電段212）為U形導電段，此U形導電段的一部分（即第一部分2121）屬於第一螺旋狀導電單元250a，此U形導電段的另一部分（即第二部分2122）屬於第二螺旋狀導電單元260a。

在本實施例中，第二磁化方向設定元件亦可以具有如第一磁化方向設定元件200a所具有的第一螺旋狀導電單元250a與第二螺旋狀導電單元260a，其中第一螺旋狀導電單元250a纏繞磁阻感測器132b與142b，而第二螺旋狀導電單元260a纏繞磁阻感測器132a與142a，且第一螺旋狀導電單元250a與第二螺旋狀導電單元260a沿著-x方向排列。

在本實施例的磁場感測模組400a中，由於第一螺旋狀導電單元250a的螺旋延伸方向不同於第二螺旋狀導電單元260a的螺旋延伸方向，因此可以採用簡單的多個第一導電段210a、多個第二導電段220a及導電貫孔（例如第一導電貫孔230a與第二導電貫孔240a）就能夠有效設定磁場感測單元（例如第一磁場感測單元120、第二磁場感測單元130）的這些磁阻感測器122、142的磁化方向。所以，本實施例的磁場感測模組400a的架構簡單，且體積可以較小。另外，由於第一磁化方向設定元件200a的架構較為簡單，繞線長度較短，使得電阻較小，因此在相同的施加電壓下電流可以較大，以使得其所產生的磁場較強。如此一來，便可以使磁場感測模組400a有較大的感測範圍。

在本實施例中，這些第一導電段210a與這些第二導電段220a部分重疊。舉例而言，第一導電段211在+y方向的一側（即圖3中的右下側）的邊緣與第二導電段221在-y方向的一側（即圖3中的左上側）的邊緣重疊，且第二導電段221在+y方向的一側的邊緣與第一導電段212的第一部分2121在-y方向的一側的邊緣重疊。此外，第一導電段212的第二部分2122在+y方向的一側的邊緣與第二導電段222在-y方向的一側的邊緣重疊，且第二導電段222在+y方向的一側的邊緣與第一導電段213在-y方向的一側的邊緣重疊。當這些第一導電段210a與這些第二導電段220a部分重疊時，在相同的電流下，第一螺旋狀導電單元250a與第二螺旋狀導電單元260a所產生的磁場會更強。如此一來，便可以使本實施例的磁場感測模組400a有更大的感測範圍。

圖4為本發明之又一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。請參照圖4，本實施例的磁場感測模組400b與圖3的磁場感測模組400a類似，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例之磁場感測模組400b中，第一磁化方向設定元件200b包括多個第一導電段211b、212b、213b及214b、多個第二導電段221b、222b及223b、多個第一導電貫孔231b、232b及233b及多個第二導電貫孔241b、242b及243b。

在本實施例中，經由接點270a流入第一導電段211b的電流會流經第一導電段211b而流至第一導電貫孔231b，然後再流經第二導電段221b而流至第一導電貫孔232b。接著，電流從第一導電貫孔232b流經第一導電段212b而流至第一導電貫孔233b，然後再從第一導電貫孔233b流經第二導電段222b的第一部分2221b。至此，電流呈現順時針方向的流動，而第一導電段211b、第一導電貫孔231b、第二導電段221b、第一導電貫孔232b、第一導電段212b、第一導電貫孔233b及第二導電段222b的第一部分2221b即形成第一螺旋狀導電單元250b，而其螺旋延伸方向為順時針方向。

接著，電流從第一部分2221b流至第二導電段222b的第二部分2222b，然後在流經第二部分2222b後經由第二導電貫孔241b流至第一導電段213b。然後，電流經由第一導電段213b流至第二導電貫孔242b，再從第二導電貫孔242b經由第二導電段223b流至第二導電貫孔243b。最後，電流從第二導電貫孔243b經由第一導電段214b流至接點280a，並從接點280a流出第一磁化方向設定元件200b。如此一來，從第二部分2222b開始，電流便呈現逆時針方向流動，而第二部分2222b、第二導電貫孔241b、第一導電段213b、第二導電貫孔242b、第二導電段223b、第二導電貫孔243b及第一導電段214b便形成第二螺旋狀導電單元260b，而其螺旋延伸方向為逆時針方向。

在本實施例中，第一螺旋狀導電單元250b纏繞磁阻感測器122a與122b，因此可將磁阻感測器122a與122b的磁化方向設定為-y方向。此外，第二螺旋狀導電單元260b纏繞磁阻感測器122c與122d，因此可將磁阻感測器122c與122d的磁化方向設定為+y方向。

在本實施例中，這些第二導電段之一（例如為第二導電段222b）為U形導電段，此U形導電段的一部分（即第一部分2221b）屬於第一螺旋狀導電單元250b，此U形導電段的另一部分（即第二部分2222b）屬於第二螺旋狀導電單元260b。在本實施例中，是將位於第一磁場感測單元120上方的導電段命名為第一導電段，而將位於第一磁場感測單元120下方的導電段命名為第二導電段。事實上，亦可將第一磁場感測單元120下方的導電段命名為第一導電段，將第一磁場感測單元120上方的導電段命名為第二導電段，則U形導電段即會屬於第一導電段。

在本實施例中，第二磁化方向設定元件亦可以具有如第一磁化方向設定元件200b所具有的第一螺旋狀導電單元250b與第二螺旋狀導電單元260b，其中第一螺旋狀導電單元250b纏繞磁阻感測器132b與142b，而第二螺旋狀導電單元260b纏繞磁阻感測器132a與142a，且第一螺旋狀導電單元250b與第二螺旋狀導電單元260b沿著-x方向排列。

在本實施例中，這些第一導電段與這些第二導電段至少部分重疊，且重疊的面積比圖3的實施例還大，以使得磁場產生效率更大。

圖5為本發明之再一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。請參照圖5，本實施例的磁場感測模組400c與圖3的磁場感測模組400a類似，而兩者的主要差異如下所述。在本實施例之磁場感測模組400c中，第一磁化方向設定元件200c包括多個第一導電段211c、212c、213c、214c及215c、多個第二導電段221c、222c、223c及224c、多個第一導電貫孔231c、232c、233c及234c及多個第二導電貫孔241c、242c、243c及244c。

在本實施例中，經由接點270a流入第一導電段211c的電流會流經第一導電段211c而流至第一導電貫孔231c，然後再流經第二導電段221c而流至第一導電貫孔232c。接著，電流從第一導電貫孔232c流經第一導電段212c而流至第一導電貫孔233c，然後再從第一導電貫孔233c流經第二導電段222c而流至第一導電貫孔234c。接著，電流再從第一導電貫孔234c流經第一導電段213c的第一部分2131c。至此，電流呈現順時針方向的流動，而第一導電段211c、第一導電貫孔231c、第二導電段221c、第一導電貫孔232c、第一導電段212c、第一導電貫孔233c、第二導電段222c、第一導電貫孔234c及第一導電段213c的第一部分2131c即形成第一螺旋狀導電單元250c，而其螺旋延伸方向為順時針方向。

接著，電流從第一部分2131c流至第一導電段213c的第二部分2132c，然後在流經第二部分2132c後經由第二導電貫孔241c流至第二導電段223c。然後，電流經由第二導電段223c流至第二導電貫孔242c，再從第二導電貫孔242c經由第一導電段214c流至第二導電貫孔243c。然後，電流從第二導電貫孔243c經由第二導電段224c流至第二導電貫孔244c。最後，電流從第二導電貫孔244c經由第一導電段215c流至接點280a，並從接點280a流出第一磁化方向設定元件200c。如此一來，從第二部分2132c開始，電流便呈現逆時針方向流動，而第二部分2132c、第二導電貫孔241c、第二導電段223c、第二導電貫孔242c、第一導電段214c、第二導電貫孔243c、第二導電段224c、第二導電貫孔244c及第一導電段215c便形成第二螺旋狀導電單元260c，而其螺旋延伸方向為逆時針方向。

在本實施例中，第一螺旋狀導電單元250c纏繞磁阻感測器122a與122b，因此可將磁阻感測器122a與122b的磁化方向設定為-y方向。此外，第二螺旋狀導電單元260c纏繞磁阻感測器122c與122d，因此可將磁阻感測器122c與122d的磁化方向設定為+y方向。

在本實施例中，這些第一導電段之一（例如為第一導電段213c）為U形導電段，此U形導電段的一部分（即第一部分2131c）屬於第一螺旋狀導電單元250c，此U形導電段的另一部分（即第二部分2132c）屬於第二螺旋狀導電單元260c。

在本實施例中，第二磁化方向設定元件亦可以具有如第一磁化方向設定元件200c所具有的第一螺旋狀導電單元250c與第二螺旋狀導電單元260c，其中第一螺旋狀導電單元250c纏繞磁阻感測器132b與142b，而第二螺旋狀導電單元260c纏繞磁阻感測器132a與142a，且第一螺旋狀導電單元250c與第二螺旋狀導電單元260c沿著-x方向排列。

在本實施例中，這些第一導電段與這些第二導電段至少部分重疊，且重疊的面積比圖3的實施例還大，以使得磁場產生效率更大。

綜上所述，在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於第二磁場感測單元與第三磁場感測單元可經由電路切換成兩個不同的惠斯登全橋，以分別感測第二方向與第三方向的磁場分量，因此磁場感測裝置可以採用較少的磁阻感測器就可以感測三個方向的磁場分量。如此一來，便能夠簡化磁場感測裝置的架構，且縮小磁場感測裝置的體積。在本發明的實施例的磁場感測模組中，由於第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且不同於第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，因此可以利用簡單的三個螺旋導電單元就能夠有效設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向，因此本發明的實施例的磁場感測模組的架構簡單，且體積可以較小。在本發明的實施例的磁場感測模組中，由於第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，因此可以採用簡單的多個第一導電段、多個第二導電段及導電貫孔就能夠有效設定磁場感測單元的這些磁阻感測器的磁化方向。所以，本發明的實施例的磁場感測模組的架構簡單，且體積可以較小。

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：磁場感測裝置 110：基板 112：表面 114：第一斜面 116：第二斜面 120：第一磁場感測單元 122、122a、122b、122c、122d、132、132a、132b、142、142a、142b：磁阻感測器 123：異向性磁電阻 125：鐵磁膜 127：短路棒 130：第二磁場感測單元 140：第三磁場感測單元 150：切換電路 200、200a、200b、200c：第一磁化方向設定元件 210、250a、250b、250c：第一螺旋狀導電單元 210a、211～213、211b～214b、211c～215c：第一導電段 2121、2131c、2221b：第一部分 2122、2132c、2222b：第二部分 220、260a、260b、260c：第二螺旋狀導電單元 220a、221、222、221b～223b、221c～224c：第二導電段 230：第三螺旋狀導電單元 230a、231、232、231b～233b、231c～234c：第一導電貫孔 240、250、260：導電段 240a、241、242、241b～243b、241c～244c：第二導電貫孔 270a、280a：接點 300：第二磁化方向設定元件 400、400a、400b、400c、500：磁場感測模組 A1、A2、A3：感測軸 C1、C2、C3、C4、C5、C6：端點 D1：傾斜延伸方向 D2：傾斜延伸方向 E1、E2、E2、E4、E5、E6：電流流向 P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、Q1、Q2、Q3、Q4：端點

圖1A為本發明之一實施例之磁場感測裝置的立體示意圖。 圖1B為圖1A之磁場感測裝置的剖面示意圖。 圖1C為圖1A中的磁場感測模組的爆炸圖。 圖2A為圖1A之第二磁場感測單元與第三磁場感測單元在感測y方向磁場分量時的等效電路圖。 圖2B為圖1A之第二磁場感測單元與第三磁場感測單元在感測z方向磁場分量時的等效電路圖。 圖3為本發明之另一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。 圖4為本發明之又一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。 圖5為本發明之再一實施例之磁場感測模組的爆炸圖。

100：磁場感測裝置 110：基板 112：表面 114：第一斜面 116：第二斜面 120：第一磁場感測單元 122、132、132a、132b、142、142a、142b：磁阻感測器 130：第二磁場感測單元 140：第三磁場感測單元 A1、A2、A3：感測軸 D1：傾斜延伸方向 D2：傾斜延伸方向 P1、P2、P3、P4、P5、P6：端點

Claims (18)

1. 一種磁場感測裝置，包括： 一基板，具有一表面及相對該表面以不同方向傾斜的一第一斜面與一第二斜面； 一第一磁場感測單元，包括多個連接成惠斯登全橋且配置於該表面上的磁阻感測器，且用以感測一第一方向的磁場分量； 一第二磁場感測單元，包括多個連接成惠斯登半橋且配置於該第一斜面上的磁阻感測器； 一第三磁場感測單元，包括多個連接成惠斯登半橋且配置於該第二斜面上的磁阻感測器；以及 一切換電路，電性連接該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元，且用以將該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元切換至兩個不同的惠斯登全橋，且該兩個不同的惠斯登全橋用以分別感測一第二方向的磁場分量與一第三方向的磁場分量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該第一磁場感測單元、該第二磁場感測單元及該第三磁場感測單元的該些磁阻感測器為異向性磁阻感測器。
3. 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實質上垂直。
4. 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的至少其中二者彼此不垂直。
5. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該第二磁場感測單元的該些磁阻感測器的感測軸實質上平行於該第一斜面的傾斜延伸方向，且該第三磁場感測單元的該些磁阻感測器的感測軸實質上平行於該第二斜面的傾斜延伸方向。
6. 如申請專利範圍第5項所述的磁場感測裝置，其中該第一磁場感測單元的該些磁阻感測器的感測軸實質上垂直於該第一斜面的該傾斜延伸方向，且垂直於該第二斜面的該傾斜延伸方向。
7. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括： 一第一磁化方向設定元件，配置於該第一磁場感測單元旁，且用以設定該第一磁場感測單元的該些磁阻感測器的磁化方向；以及 一第二磁化方向設定元件，配置於該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元旁，且用以設定該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元的該些磁阻感測器的磁化方向。
8. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件各包括： 一第一螺旋狀導電單元； 一第二螺旋狀導電單元；以及 一第三螺旋狀導電單元，其中該第二螺旋狀導電單元電性連接於該第一螺旋狀導電單元與該第三螺旋狀導電單元之間，且該第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於該第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且不同於該第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。
9. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該第一磁化方向設定元件包括： 多個第一導電段，配置於該第一磁場感測單元的上側與下側之一； 多個第二導電段，配置於該第一磁場感測單元的上側與下側之另一； 多個第一導電貫孔，將部分的該些第一導電段與部分的該些第二導電段連接成一第一螺旋狀導電單元；以及 多個第二導電貫孔，將另一部分的該些第一導電段與另一部分的該些第二導電段連接成一第二螺旋狀導電單元，其中該第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於該第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且 該第二磁化方向設定元件包括： 多個第三導電段，配置於該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元的上側與下側之一； 多個第四導電段，配置於該第二磁場感測單元與該第三磁場感測單元的上側與下側之另一； 多個第三導電貫孔，將部分的該些第三導電段與部分的該些第四導電段連接成一第三螺旋狀導電單元；以及 多個第二導電貫孔，將另一部分的該些第三導電段與另一部分的該些第四導電段連接成一第四螺旋狀導電單元，其中該第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於該第四螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。
10. 如申請專利範圍第9項所述的磁場感測裝置，其中該些第一導電段之一為一第一U形導電段，該第一U形導電段的一部分屬於該第一螺旋狀導電單元，該第一U形導電段的另一部分屬於該第二螺旋狀導電單元，該些第三導電段之一為一第二U形導電段，該第二U形導電段的一部分屬於該第三螺旋狀導電單元，且該第二U形導電段的另一部分屬於該第四螺旋狀導電單元。
11. 如申請專利範圍第9項所述的磁場感測裝置，其中該些第一導電段與該些第二導電段部分重疊，且該些第三導電段與該些第四導電段部分重疊。
12. 一種磁場感測模組，包括： 一磁場感測單元，包括多個連接成惠斯登電橋的磁阻感測器，且用以感測一方向的磁場分量；以及 一磁化方向設定元件，配置於該磁場感測單元旁，且用以設定該磁場感測單元的該些磁阻感測器的磁化方向，該磁化方向設定元件包括： 一第一螺旋狀導電單元； 一第二螺旋狀導電單元；以及 一第三螺旋狀導電單元，其中該第二螺旋狀導電單元電性連接於該第一螺旋狀導電單元與該第三螺旋狀導電單元之間，且該第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於該第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向，且不同於該第三螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。
13. 如申請專利範圍第12項所述的磁場感測模組，其中該些磁阻感測器為異向性磁阻感測器。
14. 如申請專利範圍第12項所述的磁場感測模組，其中當一電流依序流經該第一螺旋狀導電單元、該第二螺旋狀導電單元及該第三螺旋狀導電單元時，屬於該惠斯登電橋的一半橋的該些磁阻感測器的正上方或正下方的電流流向一第一方向，屬於該惠斯登電橋的另一半橋的該些磁阻感測器的正上方或正下方的電流流向一第二方向，其中該第一方向相反於該第二方向。
15. 一種磁場感測模組，包括： 一磁場感測單元，包括多個連接成惠斯登電橋的磁阻感測器，且用以感測一方向的磁場分量；以及 一磁化方向設定元件，配置於該磁場感測單元旁，且用以設定該磁場感測單元的該些磁阻感測器的磁化方向，該磁化方向設定元件包括： 多個第一導電段，配置於該磁場感測單元的上側與下側之一； 多個第二導電段，配置於該磁場感測單元的上側與下側之另一； 多個第一導電貫孔，將部分的該些第一導電段與部分的該些第二導電段連接成一第一螺旋狀導電單元；以及 多個第二導電貫孔，將另一部分的該些第一導電段與另一部分的該些第二導電段連接成一第二螺旋狀導電單元，其中該第一螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向不同於該第二螺旋狀導電單元的螺旋延伸方向。
16. 如申請專利範圍第15項所述的磁場感測模組，其中該些第一導電段之一為一U形導電段，該U形導電段的一部分屬於該第一螺旋狀導電單元，且該U形導電段的另一部分屬於該第二螺旋狀導電單元。
17. 如申請專利範圍第15項所述的磁場感測模組，其中該些第一導電段與該些第二導電段部分重疊。
18. 如申請專利範圍第15項所述的磁場感測模組，其中該些磁阻感測器為異向性磁阻感測器。