TWI685667B

TWI685667B - 磁場感測裝置

Info

Publication number: TWI685667B
Application number: TW108118893A
Authority: TW
Inventors: 袁輔德
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-02-21
Also published as: US11061085B2; US20200300937A1; TW202036019A; CN111722163A; CN210142176U

Abstract

一種磁場感測裝置，包括基板、多個磁阻感測器以及多個磁化方向設定元件。基板表面包括多個斜面與平面。這些磁阻感測器包括多個設置於多個斜面的第一磁阻感測器與設置於平面的多個第二磁阻感測器。這些第一磁阻感測器包括第一、第三部分，且構成第一惠斯通全橋。這些第二磁阻感測器包括第二、第四部分，且構成第二惠斯通全橋。這些磁化方向設定元件包括第一、第二磁化方向設定元件。第一磁化方向設定元件設置於第一、第二部分旁，並與第一、第二部分重疊設置。第二磁化方向設定元件設置於第三、第四部分旁，並與第三、第四部分重疊設置。

Description

磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置。

隨著科技的發展，具有導航與定位功能的電子產品也越來越多樣化。電子羅盤在車用導航、飛航以及個人手持式裝置的應用領域中提供了相當於傳統羅盤的功能。而為了實現電子羅盤的功能，磁場感測裝置變成了必要的電子元件。

在一般的磁場感測裝置中，通常會在惠斯通全橋旁設有對應的線圈，線圈用以重置(reset)/設定(set)全橋內的磁感測元件的磁場方向。倘若要量測三個不同方向的磁場分量，那麼就需要三個線圈以及用以控制對應線圈的相關電路。由於手持式裝置的發展趨勢是往微型化的趨勢發展，而現有磁場感測裝置採用的線圈數量與電路較多，而此導致複雜的電路設計，不利於磁場感測裝置的應用。因此，如何在一個較小的面積下製作出高效能且電路簡單的磁場感測裝置便成了本領域的技術人員所發展的方向之一。

本發明提供一種磁場感測裝置，其具有簡單的電路設計以及高響應速度（Response speed）。

本發明的一實施例中提供了一種磁場感測裝置，包括基板、多個磁阻感測器以及多個磁化方向設定元件。基板具有表面。表面包括多個斜面與平面。這些磁阻感測器包括多個設置於多個斜面的第一磁阻感測器與設置於平面的多個第二磁阻感測器。這些第一磁阻感測器包括第一部分與第三部分，且構成第一惠斯通全橋。這些第二磁阻感測器包括第二部分與第四部分，且構成第二惠斯通全橋。這些磁化方向設定元件包括第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件。第一磁化方向設定元件設置於第一部分與第二部分旁，並與第一部分與第二部分重疊設置。第二磁化方向設定元件設置於第三部分與第四部分旁，並與第三部分與第四部分重疊設置。

在本發明的一實施例中，上述的磁場感測裝置更包括電流產生器。電流產生器用以選擇性地施加電流於所述多個磁化方向設定元件。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁阻感測器兩兩之間構成多個第一電橋臂，且這些第一電橋臂分別設置於這些斜面上。

在本發明的一實施例中，上述的各第一電橋臂包括屬於第一部分中的第一磁阻感測器與屬於第三部分中的第一磁阻感測器。

在本發明的一實施例中，上述的這些第二磁阻感測器兩兩之間構成多個第二電橋臂，且這些第二電橋臂設置於平面上。

在本發明的一實施例中，上述的各第二電橋臂包括屬於第二部分中的第二磁阻感測器與屬於第四部分中的第二磁阻感測器。

在本發明的一實施例中，上述的這些磁阻感測器更包括多個第三磁阻感測器。這些第三磁阻感測器設置於平面上。這些磁化方向設定元件更包括第三磁化方向設定元件與第四磁化方向設定元件。這些第三磁阻感測器包括第五部分與第六部分，且構成第三惠斯同全橋。第三磁化方向設定元件設置於第五部分旁，並與第五部分重疊設置。第四磁化方向設定元件設置於第六部分旁，並與第六部分重疊設置。

在本發明的一實施例中，上述的這些第三磁阻感測器兩兩之間構成多個第三電橋臂，且這些磁化方向設定元件更包括第三磁化方向設定元件與第四磁化方向設定元件。第三磁化方向設定元件設置於第一部分與第二部分旁，並與第一部分與第二部分重疊設置。第四磁化方向設定元件設置於第三部分與第四部分旁，並與第三部分與第四部分重疊設置。

基於上述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，第一、第二磁化方向設定元件分別重疊設置於第一、第二惠斯通全橋的不同部分，因此第一、第二磁化方向設定元件可同時設定/重置(set/reset)兩個惠斯通全橋內的磁阻感測器，因此磁場感測裝置可藉由較少的磁化方向設定元件使用數量，而具有簡單電路設計。

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1是本發明的一磁場感測裝置的上視示意圖。圖2是圖1中剖面A-A’的剖面示意圖。圖3A與圖3B為圖1中異向性磁阻感測器的不同佈局方法。

請參照圖1與圖2，在本實施例中，磁場感測裝置100包括基板110、多個磁阻感測器120、多個磁化方向設定元件130、電流產生器140。於以下的段落中會詳細地說明以上元件。

在本發明的實施例中，基板110例如是包括空白的矽基板(blank silicon)、玻璃基板或具有積體電路(integrated-circuit)的矽基板，本發明不以此為限。請參照圖2，基板110包括第一基底層BS1、絕緣層112、第二基底層BS2，其中絕緣層112位於第一、第二基底層BS1、BS2之間。絕緣層112的材料例如是二氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氮化矽或者是其他具有絕緣功能的材料，本發明不以此為限。第二基底層BS2的表面S包括多個斜面IS與這些斜面IS相連的平面PS，其中斜面IS相對於平面PS傾斜，斜面IS數量例如為四個，但不以此為限。

在本發明實施例中所指的磁阻感測器120（以斜線表示其所在區域）係指其電阻可經由外在磁場變化而對應改變的感測器。磁阻感測器120可為異向性磁阻感測器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor, AMR resistor)。參照圖3A以及圖3B，異向性磁阻感測器120例如是具有理髮店招牌(barber pole)狀結構，亦即其表面設有相對於異向性磁阻感測器120的延伸方向D傾斜45度延伸的多個短路棒(electrical shorting bar)SB，這些短路棒SB彼此相間隔且平行地設置於鐵磁膜(ferromagnetic film)FF上，而鐵磁膜FF為異向性磁阻感測器120的主體，其延伸方向即為異向性磁阻感測器120的延伸方向。異向性磁阻感測器120的感測方向SD垂直於延伸方向D。此外，鐵磁膜FF的相對兩端可製作成尖端狀(tapered)。

在本發明的實施例中，磁化方向設定元件130（以點狀表示其所在區域）可為藉由通電而產生磁場的線圈、導線、金屬片、導體中的任一者或其組合。磁化方向設定元件130的數量例如是四個，且分別稱為第一至第四磁化方向設定元件132、134、136、138。

在本發明的實施例中，電流產生器140係指用以提供電流的電子元件。

為了要說明本實施例的磁場感測裝置100的配置效果，於以下的段落先簡介本實施例的磁場感測裝置100量測磁場的基本原理。

異向性磁阻感測器120在開始量測外在磁場H之前，可先藉由磁化方向設定元件130來設定其磁化方向。在圖3A中，磁化方向設定元件130可藉由通電產生沿著延伸方向D（或稱長軸方向）的磁場，以使異向性磁阻感測器120具有磁化方向M。

接著，磁化方向設定元件130不通電，以使異向性磁阻感測器120開始量測外在磁場H。當沒有外在磁場H時，異向性磁阻感測器120的磁化方向M維持在延伸方向D上，此時電流產生器140可施加一電流I，使電流I從異向性磁阻感測器120的左端流往右端，則短路棒SB附近的電流I的流向會與短路棒SB的延伸方向垂直，而使得短路棒SB附近的電流I流向與磁化方向M夾45度，此時異向性磁阻感測器120的電阻值為R。

當有一外在磁場H朝向垂直於延伸方向D的方向時，異向性磁阻感測器120的磁化方向M會往外在磁場H的方向偏轉，而使得磁化方向與短路棒附近的電流I流向的夾角大於45度，此時異向性磁阻感測器120的電阻值有-ΔR的變化，即成為R-ΔR，也就是電阻值變小，其中ΔR大於0。

然而，若如圖3B所示，當圖3B的短路棒SB的延伸方向設於與圖3A的短路棒SB的延伸方向夾90度的方向時（此時圖3B的短路棒SB的延伸方向仍與異向性磁阻感測器120的延伸方向D夾45度），且當有一外在磁場H時，此外在磁場H仍會使磁化方向M往外在磁場H的方向偏轉，此時磁化方向M與短路棒SB附近的電流I流向的夾角會小於45度，如此異向性磁阻感測器120的電阻值會變成R+ΔR，亦即異向性磁阻感測器120的電阻值變大。

此外，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器120的磁化方向M設定為圖3A所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3A的異向性磁阻感測器120的電阻值會變成R+ΔR。再者，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器120的磁化方向M設定為圖3B所示的反向時，之後在外在磁場H下的圖3B的異向性磁阻感測器120的電阻值會變成R-ΔR。

因此，所屬技術領域中具有通常知識者可依據這些磁阻感測器120並搭配惠斯通全橋的電路設計，以對應量測到外在磁場H在不同方向上的磁場分量訊號。

由上述可知，要測量外在磁場H之前，需要藉由磁化方向設定元件130對磁阻感測器120設定磁化方向。於以下的段落中會詳細地說明本實施例在配置上的效果。

於以下的段落中會詳細地說明本實施例的磁場感測裝置100中的各元件配置方式。

請參照圖1與圖2，於本實施例中，這些磁阻感測器120分別構成三個惠斯通全橋FWB，且分別稱為第一、第二、第三惠斯通全橋FWB1、FWB2、FWB3。依據不同惠斯通全橋FWB1~FWB3的歸屬關係，這些磁阻感測器120可被分為多個第一磁阻感測器122、多個第二磁阻感測器124與多個第三磁阻感測器126，其中這些第一磁阻感測器122用以構成第一惠斯通全橋FWB1，這些第二磁阻感測器124用以構成第二惠斯通全橋FWB2，且這些第三磁阻感測器126構成第三惠斯通全橋FWB3。這些第一、第二磁阻感測器122、124在X軸方向上排列，在Y軸方向上延伸。這些第三磁阻感測器126在Y軸方向上排列，在X軸方向上延伸。這些第一磁阻感測器122設置於多個斜面IS上，而這些第二、第三磁阻感測器124、126則分別設置於平面PS不同處。具體來說，這些第二磁阻感測器124設置於這些第一磁阻感測器122的右方，而這些第三磁阻感測器126設置於這些第一磁阻感測器122的下方。也就是說，磁場感測裝置100包括一個在斜面IS的第一惠斯通全橋FWB1與兩個在平面PS的第二、第三惠斯通全橋FWB2、FWB3。

詳細來說，依據磁化方向設定方式的不同，這些第一磁阻感測器122更包括第一、第三部分P1、P3。這些第二磁阻感測器124更包括第二、第四部分P2、P4。這些第三磁阻感測器126更包括第五、第六部分P5、P6。於以下的段落會分段敘述磁阻感測器120、磁化方向設定元件130、惠斯通全橋FWB之間的設置關係。

第一磁化方向設定元件132設置於第一、第二部分P1、P2旁（例如是下方，但不以此為限），且與第一、第二部分P1、P2重疊設置。也就是說，第一磁化方向設定元件132重疊設置於屬於第一惠斯通全橋FWB1的第一部分P1與屬於第二惠斯通全橋FWB2的第二部分P2。

第二磁化方向設定元件134設置於第三、第四部分P3、P4旁（未示出，例如是下方，但不以此為限），且與第三、第四部分P3、P4重疊設置。也就是說，第二磁化方向設定元件134重疊設置於屬於第一惠斯通全橋FWB1的第三部分P3與屬於第二惠斯通全橋FWB2的第四部分P4。

第三、第四磁化方向設定元件136、138則分別設置於第五、第六部分P5、P6旁（未示出，例如是下方，但不以此為限）。也就是說，第三、第四磁化方向設定元件136、138重疊設置於屬於同一個第三惠斯通全橋FWB3的不同部分P5、P6。

在第一惠斯通全橋FWB1中，這些第一磁阻感測器122兩兩之間構成多個第一電橋臂ARM1（例如是四個，於圖1中僅以1個標號示出）。這些第一電橋臂ARM1分別設置於這些斜面IS上。各第一電橋臂ARM1包括屬於第一部分P1中的第一磁阻感測器122與屬於第三部分P3中的第一磁阻感測器122。並對照圖1，由另一觀點觀之，各第一電橋臂ARM1與第一、第二磁化方向設定元件132、134重疊設置。

在第二惠斯通全橋FWB2中，這些第二磁阻感測器124兩兩之間構成多個第二電橋臂ARM2（例如是四個，於圖1中僅以1個標號示出）。這些第二電橋臂ARM2分別設置於這些平面PS上。各第二電橋臂ARM2包括屬於第二部分P2中的第二磁阻感測器124與屬於第四部分P4中的第二磁阻感測器124。並對照圖1，由另一觀點觀之，各第二電橋臂ARM2與第一、第二磁化方向設定元件132、134重疊設置。

在第三惠斯通全橋FWB3中，這些第三磁阻感測器126兩兩之間構成多個第三電橋臂ARM3（例如是四個，於圖1中僅以1個標號示出）。這些第三電橋臂ARM3分別設置於這些平面PS上，且不同於這些第二電橋臂ARM2的位置。各第三電橋臂ARM3包括屬於第五部分P5中的第三磁阻感測器126與屬於第六部分P6中的第三磁阻感測器126。並對照圖1，由另一觀點觀之，各第三電橋臂ARM3與第三、第四磁化方向設定元件136、138重疊設置。

電流產生器140更與上述多個磁化方向設定元件130耦接，且用以選擇性地施加電流I至這些磁化方向設定元件130。電流產生器140藉由導線與第一、第二磁化方向設定元件132、134耦接，以構成一S型迴路。電流產生器140亦藉由導線與第三、第四磁化方向設定元件136、138耦接，以構成另一S型迴路。

藉由上述的配置，電流產生器140可分別提供第一、第二磁化方向設定元件132、134往正X軸方向與負X軸方向的電流I，且電流產生器140可分別提供第三、第四磁化方向設定元件136、138往正Y軸方向與往負Y軸方向的電流I。換言之，電流產生器140所提供的電流I在第一、第二磁化方向設定元件132、134內的電流流向互為反平行（Anti-parallel），電流I所產生的這些設定磁場H _M彼此亦互為反平行。第三、第四磁化方向設定元件136、138亦類似於第一、第二磁化方向設定元件132、134，只是電流流向與設定磁場H _M的方向不同於第一、第二磁化方向設定元件132、134，於此不再贅述。

此外，於圖1的第一、第二磁場方向設定元件132、134中，電流I的流向分別是正X軸方向與負X軸方向。磁場感測裝置100亦可以包括切換電路（未示出），且切換電路與電流產生器140、上述這些磁化方向設定元件130耦接，並提供了電流路徑切換功能，以使在第一、第二磁場方向設定元件132、134中的電流I流向分別調整為負X軸方向與正X軸方向。藉此，以更改設定磁場H _M的方向，進而設定/重置各磁阻感測器120的磁化方向。類似地，切換電路亦可以對第三、第四磁場方向設定元件136、138內的電流I流向分別調整為負Y軸方向與正Y軸方向，以更改設定磁場H _M的方向。

據此，在磁場感測裝置100檢測外在磁場之前，所屬技術領域中具有通常知識者可以對這些第一、第二、第三惠斯通全橋FWB1、FWB2、FWB3內的磁阻感測器120設定/重置其磁化方向，接著並進一步將磁場感測裝置100放置於外在磁場中，並依據第一惠斯通全橋FWB1響應外在磁場而輸出的電訊號而量測到在Z軸方向上的磁場分量，並依據第二惠斯通全橋FWB2響應外在磁場所輸出的電訊號而量測到在X軸方向上的磁場分量，並依據第三惠斯通全橋FWB3響應外在磁場所輸出的電訊號而量測到在Y軸方向上的磁場分量。據此，本實施例的磁場感測裝置100可以量測三軸方向上的磁場分量。

應注意的是，於上述的實施例中，磁場感測裝置100具有三個惠斯通全橋FWB1~FWB3，而可檢測三軸方向上的磁場分量。於其他的實施例中，磁場感測裝置亦可以具有第一、第二惠斯通全橋FWB1、FWB2而不具有惠斯通全橋FWB3，即而可檢測兩軸方向上的磁場分量，本發明並不以此為限。

綜上所述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，多個第一磁阻感測器包括第一、第三部分且構成第一惠斯通全橋，多個第二磁阻感測器包括第二、第四部分且構成第二惠斯通全橋。第一磁化方向設定元件設置於屬於第一惠斯通全橋的第一部分以及屬於第二惠斯通全橋的第二部分旁並與第一、第二部分重疊設置，第二磁化方向設定元件設置於屬於第一惠斯通全橋的第三部分以及屬於第二惠斯通全橋的第四部分旁並與第三、第四部分重疊設置。磁場感測裝置可藉由第一、第二磁化方向設定元件同時對兩個惠斯通全橋內的磁阻感測器設定/重置其磁化方向，因此可減少使用磁化方向設定元件的數量，而具有較簡單的電路設計。並且，由於第一、第二磁化方向設定元件可同時設定/重置第一、第二惠斯通全橋內的第一、第二磁阻感測器，因此磁場感測裝置具有較快的響應速度。

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‧‧‧絕緣層 120‧‧‧磁阻感測器、異向性磁阻感測器 122‧‧‧第一磁阻感測器 124‧‧‧第二磁阻感測器 126‧‧‧第三磁阻感測器 130‧‧‧磁化方向設定元件 132‧‧‧第一磁化方向設定元件 134‧‧‧第二磁化方向設定元件 136‧‧‧第三磁化方向設定元件 138‧‧‧第四磁化方向設定元件 140‧‧‧電流產生器 A-A’‧‧‧剖面 BS1‧‧‧第一基底層 BS2‧‧‧第二基底層 D‧‧‧延伸方向 FWB‧‧‧惠斯通全橋 FWB1~ FWB3‧‧‧第一惠斯通全橋~第三惠斯通全橋 H‧‧‧外在磁場 M‧‧‧磁化方向 I‧‧‧電流 IS‧‧‧斜面 PS‧‧‧平面 P1~P6‧‧‧第一部分~第六部分 S‧‧‧表面 SB‧‧‧短路棒 X‧‧‧X軸 Y‧‧‧Y軸 Z‧‧‧Z軸

100‧‧‧磁場感測裝置

110‧‧‧基板

120‧‧‧磁阻感測器、異向性磁阻感測器

122‧‧‧第一磁阻感測器

124‧‧‧第二磁阻感測器

126‧‧‧第三磁阻感測器

130‧‧‧磁化方向設定元件

132‧‧‧第一磁化方向設定元件

134‧‧‧第二磁化方向設定元件

136‧‧‧第三磁化方向設定元件

138‧‧‧第四磁化方向設定元件

140‧‧‧電流產生器

A-A’‧‧‧剖面

FWB‧‧‧惠斯通全橋

FWB1~FWB3‧‧‧第一惠斯通全橋~第三惠斯通全橋

I‧‧‧電流

IS‧‧‧斜面

PS‧‧‧平面

P1~P6‧‧‧第一部分~第六部分

S‧‧‧表面

SB‧‧‧短路棒

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

Claims

一種磁場感測裝置，包括：基板，具有表面，所述表面包括多個斜面與平面；多個磁阻感測器，包括設置於所述多個斜面的多個第一磁阻感測器以及設置於所述平面的多個第二磁阻感測器，其中，所述多個第一磁阻感測器包括第一部分與第三部分，且構成第一惠斯通全橋，所述多個第二磁阻感測器包括第二部分與第四部分，且構成第二惠斯通全橋；以及多個磁化方向設定元件，包括第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件，其中，所述第一磁化方向設定元件設置於所述第一部分與所述第二部分旁，並與所述第一部分與所述第二部分重疊設置；所述第二磁化方向設定元件設置於所述第三部分與所述第四部分旁，並與所述第三部分與所述第四部分重疊設置。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括電流產生器，用以選擇性地施加電流於所述多個磁化方向設定元件。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中，所述多個第一磁阻感測器兩兩之間構成多個第一電橋臂，且所述多個第一電橋臂分別設置於所述多個斜面上。
如申請專利範圍第3項所述的磁場感測裝置，其中，各所述第一電橋臂包括屬於所述第一部分中的第一磁阻感測器與屬於所述第三部分中的第一磁阻感測器。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中，所述多個第二磁阻感測器兩兩之間構成多個第二電橋臂，且所述多個第二電橋臂設置於所述平面上。
如申請專利範圍第5項所述的磁場感測裝置，其中，各所述第二電橋臂包括屬於所述第二部分中的第二磁阻感測器與屬於所述第四部分中的第二磁阻感測器。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，所述多個磁阻感測器更包括多個第三磁阻感測器，所述多個第三磁阻感測器設置於所述平面上，所述多個磁化方向設定元件更包括第三磁化方向設定元件與第四磁化方向設定元件，其中，所述多個第三磁阻感測器包括第五部分與第六部分，且構成第三惠斯同全橋，其中，所述第三磁化方向設定元件設置於所述第五部分旁，並與所述第五部分重疊設置；所述第四磁化方向設定元件設置於所述第六部分旁，並與所述第六部分重疊設置。
如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中，所述多個第三磁阻感測器兩兩之間構成多個第三電橋臂，且所述多個磁化方向設定元件更包括第三磁化方向設定元件與第四磁化方向設定元件，所述第三磁化方向設定元件設置於所述第一部分與所述第二部分旁，並與所述第一部分與所述第二部分重疊設置，所述第四磁化方向設定元件設置於所述第三部分與所述第四部分旁，並與所述第三部分與所述第四部分重疊設置。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中，所述磁阻感測器的種類為異相性磁阻感測器。