TWI703336B - 磁場感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種磁場感測裝置，包括一磁通集中模組及多個漩渦型磁電阻。磁通集中模組具有一第一側邊、一第二側邊、一第三側邊及一第四側邊，其中第一側邊平行於第三側邊，第二側邊平行於第四側邊，且第一側邊不平行於第二側邊。這些漩渦型磁電阻配置於第一至第四側邊旁，其中這些漩渦型磁電阻具有相同的釘扎方向，釘扎方向相對於第一側邊傾斜，且相對於第二側邊傾斜。這些漩渦型磁電阻用以連接成多個不同的惠斯登電橋，以分別感測多個不同方向的磁場分量。

Description

磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置。

磁場感測器是一個能夠為系統提供電子羅盤及運動追跡（motion tracking）的重要元件。近年來，相關的應用快速地發展，特別是對於可攜式裝置而言。在新一世代的應用中，高準確率、快速反應、小體積、低功耗及可靠的品質已成為磁場感測器的重要特徵。

在傳統的巨磁電阻或穿隧磁電阻感測器中，具有釘扎層（pinning layer）、受釘扎層（pinned layer）、間隔層（spacer layer）及自由層（free layer）依序堆疊的結構，其中自由層具有一易磁化軸（magnetic easy-axis），其垂直於釘扎層的釘扎方向。若欲建構一個單軸的具有惠斯登電橋（Wheatstone bridge）的磁感測器，多個具有不同的釘扎方向的磁電阻是重要的。對於3軸的磁感測器而言，則需要多個分別具有6個釘扎方向的磁電阻。然而，就製造的觀點來看，在一個晶圓中於釘扎層中製作第二種釘扎方向會造成可觀的成本增加，且會降低了受釘扎層中的磁化方向配置的穩定性。

本發明提供一種磁場感測裝置，其可利用具有單一釘扎方向的多個漩渦型磁電阻來達到多個不同方向的磁場分量的感測。

本發明的一實施例提出一種磁場感測裝置，包括一磁通集中模組（magnetic flux concentrating module）及多個漩渦型磁電阻（vortex magnetoresistor）。磁通集中模組具有一第一側邊、一第二側邊、一第三側邊及一第四側邊，其中第一側邊平行於第三側邊，第二側邊平行於第四側邊，且第一側邊不平行於第二側邊。這些漩渦型磁電阻配置於第一至第四側邊旁，其中這些漩渦型磁電阻具有相同的釘扎方向，釘扎方向相對於第一側邊傾斜，且相對於第二側邊傾斜。這些漩渦型磁電阻用以連接成多個不同的惠斯登電橋，以分別感測多個不同方向的磁場分量。

在本發明的一實施例中，釘扎方向與第一側邊的夾角落在10度至80度的範圍內，且釘扎方向與第二側邊的夾角落在10度至80度的範圍內。

在本發明的一實施例中，釘扎方向平行於第一側邊與第二側邊所建構出的平面。

在本發明的一實施例中，第一側邊垂直於第二側邊。

在本發明的一實施例中，這些漩渦型磁電阻包括一第一漩渦型磁電阻、一第二漩渦型磁電阻、一第三漩渦型磁電阻、一第四漩渦型磁電阻、一第五漩渦型磁電阻、一第六漩渦型磁電阻、一第七漩渦型磁電阻及一第八漩渦型磁電阻。第一漩渦型磁電阻與第二漩渦型磁電阻分別配置於第一側邊的相對兩端旁，第三漩渦型磁電阻與第四漩渦型磁電阻分別配置於第三側邊的相對兩端旁，第五漩渦型磁電阻與第六漩渦型磁電阻分別配置於第二側邊的相對兩端旁，且第七漩渦型磁電阻與第八漩渦型磁電阻分別配置於第四側邊的相對兩端旁。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一切換電路，電性連接至這些漩渦型磁電阻。切換電路適於在三個不同的時間分別將這些漩渦型磁電阻的連接狀態切換至三個不同的惠斯登電橋，以分別感測三個不同方向的磁場分量。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一第九漩渦型磁電阻、一第十漩渦型磁電阻、一第十一漩渦型磁電阻及一第十二漩渦型磁電阻。第九漩渦型磁電阻與第十漩渦型磁電阻配置於第一側邊的中段旁，且第十一漩渦型磁電阻與第十二漩渦型磁電阻配置於第三側邊的中段旁。第一、第二、第三及第四漩渦型磁電阻連接成一第一惠斯登電橋，以感測平行於第一側邊的方向上之磁場分量，第五、第六、第七及第八漩渦型磁電阻連接成一第二惠斯登電橋，以感測平行於第二側邊的方向上之磁場分量，且第九、第十、第十一及第十二漩渦型磁電阻連接成一第三惠斯登電橋，以感測垂直於第一側邊與第二側邊所構成的平面的方向上之磁場分量。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一第九漩渦型磁電阻、一第十漩渦型磁電阻、一第十一漩渦型磁電阻及一第十二漩渦型磁電阻。第九漩渦型磁電阻配置於第一側邊的中段旁，第十漩渦型磁電阻與第十一漩渦型磁電阻配置於磁通集中模組下方，且第十二漩渦型磁電阻配置於第三側邊的中段旁。第一、第二、第三及第四漩渦型磁電阻連接成一第一惠斯登電橋，以感測平行於第一側邊的方向上之磁場分量，第五、第六、第七及第八漩渦型磁電阻連接成一第二惠斯登電橋，以感測平行於第二側邊的方向上之磁場分量，且第九、第十、第十一及第十二漩渦型磁電阻連接成一第三惠斯登電橋，以感測垂直於第一側邊與第二側邊所構成的平面的方向上之磁場分量。

在本發明的一實施例中，磁通集中模組包括一個磁通集中器，且第一、第二、第三及第四側邊為磁通集中器的四個側邊。

在本發明的一實施例中，磁通集中模組包括各自獨立的一第一磁通集中器與一第二磁通集中器，第一側邊與第三側邊為第一磁通集中器的相對兩側邊，且第二側邊與第四側邊為第二磁通集中器的相對兩側邊。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一基板，其中磁通集中模組與這些漩渦型磁電阻均配置於基板上。

在本發明的一實施例中，每一漩渦型磁電阻包括一釘扎層、一受釘扎層、一間隔層及一圓形自由層。釘扎層配置於基板上，受釘扎層配置於釘扎層上，且間隔層配置於受釘扎層上。圓形自由層配置於間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈，其中間隔層為一非磁性金屬層，而漩渦型磁電阻為一巨磁電阻。

在本發明的一實施例中，每一漩渦型磁電阻包括一釘扎層、一受釘扎層、一間隔層及一圓形自由層。釘扎層配置於基板上，受釘扎層配置於釘扎層上，且間隔層配置於受釘扎層上。圓形自由層配置於間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈，其中間隔層為一絕緣層，而漩渦型磁電阻為一穿隧磁電阻。

在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用了磁通集中模組來改變磁場的方向，且使得漩渦型磁電阻的釘扎方向相對於磁通集中模組的側邊傾斜，因此可以藉由採用單一釘扎方向的多個漩渦型磁電阻來達到多個不同方向的磁場分量的感測。如此一來，可使得本發明的實施例的磁場感測裝置具有較簡單且穩定的製程、較低的製造成本，可使其中的漩渦型磁電阻的磁化狀態較為穩定。

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為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖，而圖1B為圖1A之磁場感測裝置沿著A-A線的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的磁場感測裝置100包括一磁通集中模組110及多個漩渦型磁電阻200。磁通集中模組110具有一第一側邊E1、一第二側邊E2、一第三側邊E3及一第四側邊E4，其中第一側邊E1平行於第三側邊E3，第二側邊E2平行於第四側邊E4，且第一側邊E1不平行於第二側邊E2。在本實施例中，第一側邊E1垂直於第二側邊E2。此外，在本實施例中，磁通集中模組110為單一個磁通集中器（magnetic flux concentrator），且第一、第二、第三及第四側邊E1、E2、E3及E4為此磁通集中器的四個側邊。然而，在其他實施例中，磁通集中模組110亦可以包括多個磁通集中器。

在本實施例中，磁通集中器的外形呈一多面體，例如是正方體或四角柱，其中四角柱可以有部分表面呈矩形且另一部分表面呈正四形，或者四角柱的所有表面都呈矩形。在本實施例中，磁通集中模組110具有一頂面112、與頂面112相對的一底面114及連接頂面112與底面114的四個側面116，其中第一、第二、第三及第四側邊E1、E2、E3及E4分別為此四個側面116與底面114相接的四個邊。在本實施例中，磁場感測裝置100所處的空間可以由一第一方向D1、一第二方向D2及一第三方向D3所建構，其中第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3可彼此互相垂直。在本實施例中，第一方向D1平行於第一側邊E1與第三側邊E3，第二方向D2平行於第二側邊E2與第四側邊E4，且第三方向D3垂直於底面114與頂面112，也就是垂直於一平面，而第一、第二、第三及第四側邊E1、E2、E3及E4落在此平面中。

在本實施例中，磁通集中器的材料包括導磁率大於10的鐵磁材料。此外，磁通集中器的殘磁例如小於其飽和磁化量的10%。舉例而言，磁通集中器為軟磁材料，例如為鎳鐵合金、鈷鐵或鈷鐵硼合金、鐵氧磁體或其他高導磁率材料。

這些漩渦型磁電阻200配置於第一至第四側邊E1、E2、E3及E4旁，其中這些漩渦型磁電阻200具有相同的釘扎方向Q1，釘扎方向Q1相對於第一側邊E1傾斜，且相對於第二側邊E2傾斜。這些漩渦型磁電阻200用以連接成多個不同的惠斯登電橋，以分別感測多個不同方向的磁場分量。

圖2為圖1A中的漩渦型磁電阻的立體示意圖，圖3是圖1A中的漩渦型磁電阻的上視示意圖，圖4A至圖4D分別繪示圖2中的圓形自由層受到四個不同方向的外在磁場所產生的四種磁化方向分佈的變化，而圖5繪示圖3中的漩渦型磁電阻於不同方向的外來磁場的作用下及沒有外來磁場的情況下電阻值的變化。

在本實施例中，漩渦型磁電阻200包括一釘扎層（pinning layer）210、一受釘扎層（pinned layer）220、一間隔層（spacer layer）230及一圓形自由層（round free layer）240。受釘扎層220配置於釘扎層210上，間隔層230配置於受釘扎層220上，而圓形自由層240配置於間隔層230上。在本實施例中，釘扎層210提供一釘扎方向（pinning direction）P1，其使受釘扎層220的磁化方向固定於釘扎方向Q1上。在本實施例中，釘扎層210的材料是反鐵磁性材料（antiferromagnetic material），受釘扎層220與圓形自由層240的材料是鐵磁性材料（ferromagnetic material），其中圓形自由層240的材料是軟磁性材料（soft magnetic material）。

在本實施例中，釘扎方向Q1相對於第一方向D1傾斜，相對於第二方向D2傾斜，且平行於第一方向D1與第二方向D2所建構的平面。也就是說，釘扎方向Q1平行於第一側邊E1與第二側邊E2所建構出的平面。在本實施例中，釘扎方向Q1與第一側邊E1的夾角θ1落在10度至80度的範圍內，且釘扎方向Q1與第二側邊E2的夾角θ2落在10度至80度的範圍內。在圖1A中，是以θ1=θ2=45度為例。此外，在本實施例中，釘扎層210、受釘扎層220、間隔層230及圓形自由層240等各膜層皆平行於第一方向D1與第二方向D2所建構的平面。

圓形自由層240具有漩渦形磁化方向分佈。具體而言，當不存在外在磁場時，圓形自由層240的磁化方向ML沿著圓形自由層240的圓形輪廓排列成多個圓形，這些圓形的直徑逐漸縮小而終至收斂於圓形輪廓的中心。磁化方向ML的排列可以是順時針方向的，也可以是逆時針方向的。在圓形自由層240的中心會形成一漩渦中心（vortex core）VC，且在漩渦中心VC處的磁化方向是垂直於圓形自由層240的方向，其可朝上（即朝向圖2與圖3中的第三方向D3）或朝下（即朝向與第三方向D3相反的方向）。此時，整個圓形自由層240的靜磁化量（net magnetization）為零。

在本實施例中，漩渦型磁電阻200可以是巨磁電阻（giant magnetoresistor, GMR）或穿隧磁電阻（tunneling magnetoresistor, TMR）。當漩渦型磁電阻200為巨磁電阻時，其間隔層230為一非磁性金屬層；而當漩渦型磁電阻200為穿隧磁電阻時，其間隔層230為一絕緣層。

在本實施例中，磁場感測裝置100更包括一基板130，其中磁通集中模組110與漩渦型磁電阻200均配置於基板130上。在本實施例中，釘扎層210配置於基板130上。此外，在本實施例中，基板130為一線路基板，例如為具有電路的半導體基板。

請參照圖4A，當有一沿著第一方向D1的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的一側的面積會變大，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一側的面積會變小，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第一方向D1的靜磁化量，且漩渦中心VC往第二方向D2的反方向移動。

請參照圖4B，當有一沿著第一方向D1的反方向的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的一側的面積會變小，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一側的面積會變大，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第一方向D1的反方向的靜磁化量，且漩渦中心VC往第二方向D2移動。

請參照圖4C，當有一沿著第二方向D2的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的一側的面積會變小，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一側的面積會變大，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第二方向D2的靜磁化量，且漩渦中心VC往第一方向D1移動。

請參照圖4D，當有一沿著第二方向D2的反方向的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的一側的面積會變大，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一側的面積會變小，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第二方向D2的反方向的靜磁化量，且漩渦中心VC往第一方向D1的反方向移動。

圖5繪示圖3中的漩渦型磁電阻於不同方向的外來磁場的作用下及沒有外來磁場的情況下電阻值的變化。請參照圖2、圖4A至圖4D及圖5，圖5中的曲線圖表現了漩渦型磁電阻200的電阻值R相對於外在磁場H的變化。如圖5的左上圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向Q1同向之外在磁場H時，如圖4C所繪示圓形自由層240在釘扎方向Q1上會產生一個淨磁化量，而使得電阻值R下降，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。如圖5的左下圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向Q1相反方向之外在磁場H時，如圖4D所繪示圓形自由層240在釘扎方向Q1的反方向上會產生一個淨磁化量，而使得電阻值R上升，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。如圖5的右上圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向Q1垂直之外在磁場H時，如圖4A或圖4B所繪示圓形自由層240在垂直於釘扎方向Q1的方向上產生一個淨磁化量，此淨磁化量在釘扎方向Q1上的正投影量為零，而使得電阻值R維持不變，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。另外，如圖5的右下圖所示，當漩渦型磁電阻200沒有被施加磁場時，其電阻值R維持不變，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。

另外，在圖4A、圖4B、圖4C及圖4D的狀態中，圓形自由層240的淨磁化量的方向均相對於釘扎方向Q1傾斜，此時電阻值R的變化是以圓形自由層240的淨磁化量在釘扎方向Q1上的正投影來決定。因此，在圖4A、圖4B、圖4C及圖4D的狀態中會分別產生電阻值R下降、電阻值R上升、電阻值R下降及電阻值R上升的情況，也就是分別產生了-ΔR、+ΔR、-ΔR及+ΔR的電阻值變化量。

圖6A、圖6B及圖6C分別繪示當有一沿著第一方向D1的外在磁場通過磁通集中模組110附近時此外在磁場的磁力線（magnetic flux line）FL在三個不同視角的偏轉狀況。圖7A、圖7B及圖7C分別繪示當有一沿著第二方向D2的外在磁場通過磁通集中模組110附近時此外在磁場的磁力線FL在三個不同視角的偏轉狀況。圖8A、圖8B及圖8C分別繪示當有一沿著第三方向D3的反方向的外在磁場通過磁通集中模組110附近時此外在磁場的磁力線FL在三個不同視角的偏轉狀況。由圖6A至圖8C可知，磁通集中模組110的導磁率相對於其周遭環境的導磁率較高，因此磁通集中模組110對於其周遭的磁力線FL具有吸引的效果，而使得周遭的磁力線FL的方向傾向於垂直於磁通集中模組110的表面。在圖1B中亦繪示了當磁場感測裝置100存在於沿著第三方向D3的反方向的磁場H時，其磁力線FL在磁通集中模組110及漩渦型磁電阻200附近的分佈情形。

請再參照圖1A，在本實施例中，這些漩渦型磁電阻200包括一漩渦型磁電阻R1、一漩渦型磁電阻R2、一漩渦型磁電阻R3、一漩渦型磁電阻R4、一漩渦型磁電阻R5、一漩渦型磁電阻R6、一漩渦型磁電阻R7及一漩渦型磁電阻R8。漩渦型磁電阻R1與漩渦型磁電阻R2分別配置於第一側邊E1的相對兩端旁，漩渦型磁電阻R3與漩渦型磁電阻R4分別配置於第三側邊E3的相對兩端旁，漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R6分別配置於第二側邊E2的相對兩端旁，而漩渦型磁電阻R7與漩渦型磁電阻R8分別配置於第四側邊E4的相對兩端旁。

圖9A繪示當有一沿著第一方向D1的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置100時於各漩渦型磁電阻R1-R8處的磁場分量（H’或-H’）的方向及其對各漩渦型磁電阻R1-R8所產生的電阻值變化（+ΔR或-ΔR）。圖9B繪示當有一沿著第二方向D2的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置100時於各漩渦型磁電阻R1-R8處的磁場分量H’的方向及其對各漩渦型磁電阻R1-R8所產生的電阻值變化（+ΔR或-ΔR）。圖9C繪示當有一沿著第三方向D3的反方向的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置100時於各漩渦型磁電阻R1-R8處的磁場分量H’的方向及其對各漩渦型磁電阻R1-R8所產生的電阻值變化（+ΔR或-ΔR）。請先參照圖9A，當有一沿著第一方向D1的外在磁場存在時，受到磁通集中模組110的影響後，漩渦型磁電阻R1處的磁場分量-H’朝向第二方向的反方向，漩渦型磁電阻R2處的磁場分量H’朝向第二方向，漩渦型磁電阻R3處的磁場分量H’朝向第二方向D2，漩渦型磁電阻R4處的磁場分量-H’朝向第二方向D2的反方向，而漩渦型磁電阻R5、R6、R7及R8處的磁場分量H’均朝向第一方向，如此會使得漩渦型磁電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的電阻值變化分別為+ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR、-ΔR及-ΔR。同理可知，請參照圖9B，當有一沿著第二方向D2的外在磁場存在時，漩渦型磁電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的電阻值變化會分別為-ΔR、-ΔR、-ΔR、-ΔR、+ΔR、-ΔR、-ΔR及+ΔR。此外，當有一沿著第三方向D3的反方向的外在磁場存在時，漩渦型磁電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的電阻值變化會分別為-ΔR、-ΔR、+ΔR、+ΔR、+ΔR、+ΔR、-ΔR及-ΔR。

圖10A、圖10B及圖10C繪示圖1A的磁場感測裝置於三個不同的時間所形成的三個不同的惠斯登電橋，其中此三個不同的惠斯登電橋用以分別感測三個不同方向的磁場分量。請參照圖1A、圖1B、圖10A、圖10B及圖10C，磁場感測裝置100更包括一切換電路120，電性連接至這些漩渦型磁電阻200。切換電路120適於在三個不同的時間分別將這些漩渦型磁電阻200的連接狀態切換至三個不同的惠斯登電橋，以分別感測三個不同方向（如第三方向D3的反方向、第一方向D1及第二方向D2）的磁場分量。具體而言，請參照圖10A，在三個不同的時間的一第一時間中，漩渦型磁電阻R1電性連接至漩渦型磁電阻R2，漩渦型磁電阻R2電性連接至漩渦型磁電阻R4，漩渦型磁電阻R4電性連接至漩渦型磁電阻R3，且漩渦型磁電阻R3電性連接至漩渦型磁電阻R1，接點P1電性連接至漩渦型磁電阻R1與漩渦型磁電阻R2之間的導電路徑，接點P2電性連接至漩渦型磁電阻R3與漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑，接點P3電性連接至漩渦型磁電阻R1與漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，且接點P4電性連接至漩渦型磁電阻R2與漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑，如此便可以形成第一個惠斯登電橋。此時，接點P1可接收參考電壓VDD，而接點P2可耦接至地（ground），此時對於外在磁場在第一方向D1上的磁場分量而言，各漩渦型磁電阻200會形成如圖9A與圖10A的電阻值變化，而使得接點P3與接點P4之間的電壓差會是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第一方向D1上的磁場分量的大小。此時，外在磁場在第二方向D2上的磁場分量及在第三方向D3的反方向上的磁場分量會分別使各漩渦型磁電阻200形成如圖9B與圖9C的電阻值變化，而圖9B與圖9C的這種電阻值變化對於第一個惠斯登電橋的接點P3與接點P4之間的電壓差的貢獻會是零。因此，第一個惠斯登電橋可專門用於量測第一方向D1上的磁場分量，且不受第二方向D2及第三方向D3上的磁場分量的干擾。

請再參照圖10B，在三個不同的時間的一第二時間中，漩渦型磁電阻R5電性連接至漩渦型磁電阻R7，漩渦型磁電阻R7電性連接至漩渦型磁電阻R8，漩渦型磁電阻R8電性連接至漩渦型磁電阻R6，且漩渦型磁電阻R6電性連接至漩渦型磁電阻R5，接點P5電性連接至漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R7之間的導電路徑，接點P6電性連接至漩渦型磁電阻R6與漩渦型磁電阻R8之間的導電路徑，接點P7電性連接至漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R6之間的導電路徑，且接點P8電性連接至漩渦型磁電阻R7與漩渦型磁電阻R8之間的導電路徑，如此便可以形成第二個惠斯登電橋。此時，接點P5可接收參考電壓VDD，而接點P6可耦接至地（ground），此時對於外在磁場在第二方向D2上的磁場分量而言，各漩渦型磁電阻200會形成如圖9B與圖10B的電阻值變化，而使得接點P7與接點P8之間的電壓差會是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第二方向D2上的磁場分量的大小。此時，外在磁場在第一方向D1上的磁場分量及在第三方向D3的反方向上的磁場分量會分別使各漩渦型磁電阻200形成如圖9A與圖9C的電阻值變化，而圖9A與圖9C的這種電阻值變化對於第二個惠斯登電橋的接點P7與接點P8之間的電壓差的貢獻會是零。因此，第二個惠斯登電橋可專門用於量測第二方向D2上的磁場分量，且不受第一方向D1及第三方向D3上的磁場分量的干擾。

請再參照圖10C，在三個不同的時間的一第三時間中，漩渦型磁電阻R1電性連接至漩渦型磁電阻R4，漩渦型磁電阻R4電性連接至漩渦型磁電阻R2，漩渦型磁電阻R2電性連接至漩渦型磁電阻R3，且漩渦型磁電阻R3電性連接至漩渦型磁電阻R1，接點P9電性連接至漩渦型磁電阻R1與漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑，接點P10電性連接至漩渦型磁電阻R2與漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，接點P11電性連接至漩渦型磁電阻R1與漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，且接點P12電性連接至漩渦型磁電阻R2與漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑，如此便可以形成第三個惠斯登電橋。此時，接點P9可接收參考電壓VDD，而接點P10可耦接至地（ground），此時對於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量而言，各漩渦型磁電阻200會形成如圖9C與圖10C的電阻值變化，而使得接點P11與接點P12之間的電壓差會是(VDD)×(ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量的大小。此時，外在磁場在第一方向D1上的磁場分量及在第二方向D3上的磁場分量會分別使各漩渦型磁電阻200形成如圖9A與圖9B的電阻值變化，而圖9A與圖9B的這種電阻值變化對於第三個惠斯登電橋的接點P11與接點P12之間的電壓差的貢獻會是零。因此，第三個惠斯登電橋可專門用於量測第三方向D3的反方向上的磁場分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁場分量的干擾。

如此一來，當第一時間、第二時間及第三時間輪流不斷地出現，也就是切換電路120輪流不斷地將這些漩渦型磁電阻200切換至第一、第二及第三個惠斯登電橋時，磁場感測裝置100便能夠即時感測在三維空間中的任意方向的外在磁場的大小與方向。

圖10D與圖10E繪示了圖10C的第三個惠斯登電橋的其他兩種變型。請先參照圖10D，在三個不同的時間的第三時間中，漩渦型磁電阻R5電性連接至漩渦型磁電阻R7，漩渦型磁電阻R7電性連接至漩渦型磁電阻R6，漩渦型磁電阻R6電性連接至漩渦型磁電阻R8，且漩渦型磁電阻R8電性連接至漩渦型磁電阻R5，接點P9電性連接至漩渦型磁電阻R6與漩渦型磁電阻R7之間的導電路徑，接點P10電性連接至漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R8之間的導電路徑，接點P11電性連接至漩渦型磁電阻R6與漩渦型磁電阻R8之間的導電路徑，且接點P12電性連接至漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R7之間的導電路徑，如此便可以形成第三個惠斯登電橋。此時，接點P9可接收參考電壓VDD，而接點P10可耦接至地（ground），此時對於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量而言，各漩渦型磁電阻200會形成如圖9C與圖10D的電阻值變化，而使得接點P11與接點P12之間的電壓差會是(VDD)×(-ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量的大小。此時，外在磁場在第一方向D1上的磁場分量及在第二方向D3上的磁場分量會分別使各漩渦型磁電阻200形成如圖9A與圖9B的電阻值變化，而圖9A與圖9B的這種電阻值變化對於此第三個惠斯登電橋的接點P11與接點P12之間的電壓差的貢獻會是零。因此，第三個惠斯登電橋可專門用於量測第三方向D3的反方向上的磁場分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁場分量的干擾。

請先參照圖10E，在三個不同的時間的第三時間中，漩渦型磁電阻R1電性連接至漩渦型磁電阻R2，漩渦型磁電阻R2電性連接至漩渦型磁電阻R3，漩渦型磁電阻R3電性連接至漩渦型磁電阻R4，且漩渦型磁電阻R4電性連接至漩渦型磁電阻R8，漩渦型磁電阻R8電性連接至漩渦型磁電阻R7，漩渦型磁電阻R7電性連接至漩渦型磁電阻R6，漩渦型磁電阻R6電性連接至漩渦型磁電阻R5，且漩渦型磁電阻R5電性連接至漩渦型磁電阻R1，接點P9電性連接至漩渦型磁電阻R6與漩渦型磁電阻R7之間的導電路徑，接點P10電性連接至漩渦型磁電阻R2與漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，接點P11電性連接至漩渦型磁電阻R4與漩渦型磁電阻R8之間的導電路徑，且接點P12電性連接至漩渦型磁電阻R5與漩渦型磁電阻R1之間的導電路徑，如此便可以形成第三個惠斯登電橋。此時，接點P9可接收參考電壓VDD，而接點P10可耦接至地（ground），此時對於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量而言，各漩渦型磁電阻200會形成如圖9C與圖10E的電阻值變化，而使得接點P11與接點P12之間的電壓差會是(VDD)×(ΔR/R)，其可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量的大小。此時，外在磁場在第一方向D1上的磁場分量及在第二方向D3上的磁場分量會分別使各漩渦型磁電阻200形成如圖9A與圖9B的電阻值變化，而圖9A與圖9B的這種電阻值變化對於此第三個惠斯登電橋的接點P11與接點P12之間的電壓差的貢獻會是零。因此，第三個惠斯登電橋可專門用於量測第三方向D3的反方向上的磁場分量，且不受第一方向D1及第二方向D2上的磁場分量的干擾。

圖11為本發明的另一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。請參照圖11，本實施例的磁場感測裝置100b類似於圖1A與圖1B的磁場感測裝置100，而兩者的差異如下所述。本實施例的磁場感測裝置100b不是透過切換電路120來在三個不同時間切換成三個不同的惠斯登電橋，而可以是不具有切換電路120，且同時存在且固定接出三個不同的惠斯登電橋。本實施例的磁場感測裝置100b中的第一個惠斯登電橋（即連接漩渦型磁電阻R1、R2、R4及R3的惠斯登電橋）與第二個惠斯登電橋（即連接漩渦型磁電阻R5、R7、R8及R6的惠斯登電橋）分別與圖10A中的惠斯登電橋與圖10B中的惠斯登電橋相同，只是本實施例的第一個惠斯登電橋與第二個惠斯登電橋是固定的且同時存在的。此外，在本實施例中，磁場感測裝置100b更包括一漩渦型磁電阻R9、一漩渦型磁電阻R10、一漩渦型磁電阻R11及一漩渦型磁電阻R12。漩渦型磁電阻R9與漩渦型磁電阻R10配置於第一側邊E1的中段旁，且漩渦型磁電阻R11與漩渦型磁電阻R12配置於第三側邊E3的中段旁。漩渦型磁電阻R1～R4連接成第一個惠斯登電橋，以感測平行於第一側邊E1的方向上之外在磁場的磁場分量（即感測第一方向D1上的磁場分量），漩渦型磁電阻R5～R8連接成第二個惠斯登電橋，以感測平行於第二側邊E2的方向上之外在磁場的磁場分量（即感測第二方向D2上的磁場分量），且漩渦型磁電阻R9～R10連接成第三個惠斯登電橋，以感測垂直於第一側邊E1與第二側邊E2所構成的平面的方向上之外在磁場的磁場分量（例如感測第三方向D3的反方向上的磁場分量）。本實施例的第三個惠斯登電橋與圖10C的惠斯登電橋一樣，只是將漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4分別置換為漩過型磁電阻R9、R10、R11及R12。此外，漩渦型磁電阻R9、R10、R11及R12對各方向的磁場分量的反應類似於漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4，而在此不再重述。

圖12為本發明的又一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。請參照圖12，本實施例的磁場感測裝置100c類似於圖11的磁場感測裝置100b，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，漩渦型磁電阻R9配置於第一側邊E1的中段旁，漩渦型磁電阻R10與R11配置於磁通集中模組110的下方（也就是配置於磁通集中模組110在第三方向D3的反方向的一側），例如是配置於磁通集中模組110與基板130之間。此外，漩渦型磁電阻R12配置於第三側邊E3的中段旁。因受到磁通集中模組110的屏蔽作用，外在磁場在第一方向D1上的磁場分量與在第二方向D2上的磁場分量在漩渦型磁電阻R10與R11處幾乎不產生磁場，而外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量則與漩渦型磁電阻R10與R11的各模膜垂直，因此漩渦型磁電阻R10與R11也感測不到第三方向D3的磁場分量。換言之，漩渦型磁電阻R10與R11可視為兩個啞磁電阻，也就是其電阻值並不會變化。

因此，在本實施例中，漩渦型磁電阻R9電性連接至漩渦型磁電阻R10，漩渦型磁電阻R10電性連接至漩渦型磁電阻R12，漩渦型磁電阻R12電性連接至漩渦型磁電阻R11，漩渦型磁電阻R11電性連接至漩渦型磁電阻R9，接點P9電性連接至漩渦型磁電阻R9與漩渦型磁電阻R10之間的導電路徑，接點P10電性連接至漩渦型磁電阻R11與漩渦型磁電阻R12之間的導電路徑，接點P11電性連接至漩渦型磁電阻R10與漩渦型磁電阻R12之間的導電路徑，接點P12電性連接至漩渦型磁電阻R9與漩渦型磁電阻R11之間的導電路徑。如此一來，接點P9可接收參考電壓VDD，接點P10可耦接至地，則接點P11與接點P12之間的電壓差可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號，其大小會對應於外在磁場在第三方向D3的反方向上的磁場分量的大小。

在圖12中，連接漩渦型磁電阻R1～R4的第一個惠斯登電橋的接點P1～P4及連接漩渦型電阻R5～R8的第二個惠斯登電橋的接點P5～P8則分別相同於圖11的第一個惠斯登電橋的接點P1～P4與第二個惠斯登電橋的接點P5～P8，因此在圖12中省略而不繪示出。

圖13為本發明的再一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。請參照圖13，本實施例的磁場感測裝置100a類似於圖11的磁場感測裝置100b，而兩者的差異如下所述。在本實施例的磁場感測裝置100a中，磁通集中模組110a包括各自獨立的一第一磁通集中器112與一第二磁通集中器114，第一側邊E1與第三側邊E3為第一磁通集中器112的相對兩側邊，且第二側邊E2與第四側邊E4為第二磁通集中器114的相對兩側邊。在本實施例中，第一磁通集中器112與第二磁通集中器114例如呈四角柱狀，其中第一側邊E1與第三側邊E3例如為第一磁通集中器112的兩個長邊，而第二側邊E2與第四側邊E4例如為第二磁通集中器114的兩個長邊，但本發明不以此為限。漩渦型磁電阻R1～R12與第一至第四側邊E1～E4之間的相對關係則與圖11相同，在此不再重述。另外，漩渦型磁電阻R1～R4所連接成的第一個惠斯登電橋、漩渦型磁電阻R5～R8所連接成的第二個惠斯登電橋及漩渦型磁電阻R9～R12所連接成的第三個惠斯登電橋則分別與圖11中的第一至第三個惠斯登電橋一樣，且其對各方向的磁場分量的反應也與圖11的實施例相似，在此不再重述。

綜上所述，在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用了磁通集中模組來改變磁場的方向，且使得漩渦型磁電阻的釘扎方向相對於磁通集中模組的側邊傾斜，因此可以藉由採用單一釘扎方向的多個漩渦型磁電阻來達到多個不同方向的磁場分量的感測。如此一來，可使得本發明的實施例的磁場感測裝置具有較簡單且穩定的製程、較低的製造成本，可使其中的漩渦型磁電阻的磁化狀態較為穩定。

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、100a、100b、100c‧‧‧磁場感測裝置 110、110a‧‧‧磁通集中模組 112‧‧‧頂面 114‧‧‧底面 116‧‧‧側面 120‧‧‧切換電路 130‧‧‧基板 200、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12‧‧‧漩渦型磁電阻 210‧‧‧釘扎層 220‧‧‧受釘扎層 230‧‧‧間隔層 240‧‧‧圓形自由層 D1‧‧‧第一方向 D2‧‧‧第二方向 D3‧‧‧第三方向 E1‧‧‧第一側邊 E2‧‧‧第二側邊 E3‧‧‧第三側邊 E4‧‧‧第四側邊 FL‧‧‧磁力線 H‧‧‧外在磁場 H’、-H’‧‧‧磁場分量 ML‧‧‧磁化方向 P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12‧‧‧接點 Q1‧‧‧釘扎方向 R‧‧‧電阻值 +ΔR、-ΔR‧‧‧電阻值變化量 VC‧‧‧漩渦中心 θ1、θ2‧‧‧夾角

圖1A為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。 圖1B為圖1A之磁場感測裝置沿著A-A線的剖面示意圖。 圖2為圖1A中的漩渦型磁電阻的立體示意圖。 圖3是圖1A中的漩渦型磁電阻的上視示意圖。 圖4A至圖4D分別繪示圖2中的圓形自由層受到四個不同方向的外在磁場所產生的四種磁化方向分佈的變化。 圖5繪示圖3中的漩渦型磁電阻於不同方向的外來磁場的作用下及沒有外來磁場的情況下電阻值的變化。 圖6A、圖6B及圖6C分別繪示當有一沿著第一方向的外在磁場通過磁通集中模組附近時此外在磁場的磁力線在三個不同視角的偏轉狀況。 圖7A、圖7B及圖7C分別繪示當有一沿著第二方向的外在磁場通過磁通集中模組附近時此外在磁場的磁力線在三個不同視角的偏轉狀況。 圖8A、圖8B及圖8C分別繪示當有一沿著第三方向的反方向的外在磁場通過磁通集中模組附近時此外在磁場的磁力線在三個不同視角的偏轉狀況。 圖9A繪示當有一沿著第一方向的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置時於各漩渦型磁電阻處的磁場分量的方向及其對各漩渦型磁電阻所產生的電阻值變化。 圖9B繪示當有一沿著第二方向的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置時於各漩渦型磁電阻處的磁場分量的方向及其對各漩渦型磁電阻所產生的電阻值變化。 圖9C繪示當有一沿著第三方向的反方向的外在磁場通過圖1A的磁場感測裝置時於各漩渦型磁電阻處的磁場分量的方向及其對各漩渦型磁電阻所產生的電阻值變化。 圖10A、圖10B及圖10C繪示圖1A的磁場感測裝置於三個不同的時間所形成的三個不同的惠斯登電橋。 圖10D與圖10E繪示了圖10C的第三個惠斯登電橋的其他兩種變型。 圖11為本發明的另一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。 圖12為本發明的又一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。 圖13為本發明的再一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。

100‧‧‧磁場感測裝置

110‧‧‧磁通集中模組

130‧‧‧基板

200、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8‧‧‧漩渦型磁電阻

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

E1‧‧‧第一側邊

E2‧‧‧第二側邊

E3‧‧‧第三側邊

E4‧‧‧第四側邊

Q1‧‧‧釘扎方向

θ1、θ2‧‧‧夾角

Claims (10)

1. 一種磁場感測裝置，包括：一磁通集中模組，具有一第一側邊、一第二側邊、一第三側邊及一第四側邊，其中該第一側邊平行於該第三側邊，該第二側邊平行於該第四側邊，且該第一側邊不平行於該第二側邊；以及多個漩渦型磁電阻，配置於該第一至第四側邊旁，其中該些漩渦型磁電阻具有相同的釘扎方向，該釘扎方向相對於該第一側邊傾斜，且相對於該第二側邊傾斜，該些漩渦型磁電阻用以連接成多個不同的惠斯登電橋，以分別感測多個不同方向的磁場分量，其中該些漩渦型磁電阻包括：一第一漩渦型磁電阻與一第二漩渦型磁電阻，分別配置於該第一側邊的相對兩端旁；一第三漩渦型磁電阻與一第四漩渦型磁電阻，分別配置於該第三側邊的相對兩端旁；一第五漩渦型磁電阻與一第六漩渦型磁電阻，分別配置於該第二側邊的相對兩端旁；一第七漩渦型磁電阻與一第八漩渦型磁電阻，分別配置於該第四側邊的相對兩端旁；一切換電路，電性連接至該些漩渦型磁電阻，該切換電路適於在三個不同的時間分別將該些漩渦型磁電阻的連接狀態切換至三個不同的惠斯登電橋，以分別感測三個不同方向的磁場分量；一第九漩渦型磁電阻與一第十漩渦型磁電阻，配置於該第一 側邊的中段旁；以及一第十一漩渦型磁電阻與一第十二漩渦型磁電阻，配置於該第三側邊的中段旁，其中該第一、第二、第三及第四漩渦型磁電阻連接成一第一惠斯登電橋，以感測平行於該第一側邊的方向上之磁場分量，該第五、第六、第七及第八漩渦型磁電阻連接成一第二惠斯登電橋，以感測平行於該第二側邊的方向上之磁場分量，且該第九、第十、第十一及第十二漩渦型磁電阻連接成一第三惠斯登電橋，以感測垂直於該第一側邊與該第二側邊所構成的平面的方向上之磁場分量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該釘扎方向與該第一側邊的夾角落在10度至80度的範圍內，且該釘扎方向與該第二側邊的夾角落在10度至80度的範圍內。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該釘扎方向平行於該第一側邊與該第二側邊所建構出的平面。
4. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該第一側邊垂直於該第二側邊。
5. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該磁通集中模組包括一個磁通集中器，且該第一、第二、第三及第四側邊為該磁通集中器的四個側邊。
6. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該磁通集中模組包括各自獨立的一第一磁通集中器與一第二磁通集中器，該第一側邊與該第三側邊為該第一磁通集中器的相對兩側 邊，且該第二側邊與該第四側邊為該第二磁通集中器的相對兩側邊。
7. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括：一基板，其中該磁通集中模組與該些漩渦型磁電阻均配置於該基板上。
8. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中每一漩渦型磁電阻包括：一釘扎層，配置於該基板上；一受釘扎層，配置於該釘扎層上；一間隔層，配置於該受釘扎層上；以及一圓形自由層，配置於該間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈，其中該間隔層為一非磁性金屬層，而該漩渦型磁電阻為一巨磁電阻。
9. 如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中每一漩渦型磁電阻包括：一釘扎層，配置於該基板上；一受釘扎層，配置於該釘扎層上；一間隔層，配置於該受釘扎層上；以及一圓形自由層，配置於該間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈，其中該間隔層為一絕緣層，而該漩渦型磁電阻為一穿隧磁電阻。
10. 一種磁場感測裝置，包括： 一磁通集中模組，具有一第一側邊、一第二側邊、一第三側邊及一第四側邊，其中該第一側邊平行於該第三側邊，該第二側邊平行於該第四側邊，且該第一側邊不平行於該第二側邊；以及多個漩渦型磁電阻，配置於該第一至第四側邊旁，其中該些漩渦型磁電阻具有相同的釘扎方向，該釘扎方向相對於該第一側邊傾斜，且相對於該第二側邊傾斜，該些漩渦型磁電阻用以連接成多個不同的惠斯登電橋，以分別感測多個不同方向的磁場分量，其中該些漩渦型磁電阻包括：一第一漩渦型磁電阻與一第二漩渦型磁電阻，分別配置於該第一側邊的相對兩端旁；一第三漩渦型磁電阻與一第四漩渦型磁電阻，分別配置於該第三側邊的相對兩端旁；一第五漩渦型磁電阻與一第六漩渦型磁電阻，分別配置於該第二側邊的相對兩端旁；一第七漩渦型磁電阻與一第八漩渦型磁電阻，分別配置於該第四側邊的相對兩端旁；一切換電路，電性連接至該些漩渦型磁電阻，該切換電路適於在三個不同的時間分別將該些漩渦型磁電阻的連接狀態切換至三個不同的惠斯登電橋，以分別感測三個不同方向的磁場分量；一第九漩渦型磁電阻，配置於該第一側邊的中段旁；一第十漩渦型磁電阻與一第十一漩渦型磁電阻，配置於該磁通集中模組下方；以及 一第十二漩渦型磁電阻，配置於該第三側邊的中段旁，其中該第一、第二、第三及第四漩渦型磁電阻連接成一第一惠斯登電橋，以感測平行於該第一側邊的方向上之磁場分量，該第五、第六、第七及第八漩渦型磁電阻連接成一第二惠斯登電橋，以感測平行於該第二側邊的方向上之磁場分量，且該第九、第十、第十一及第十二漩渦型磁電阻連接成一第三惠斯登電橋，以感測垂直於該第一側邊與該第二側邊所構成的平面的方向上之磁場分量。

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