TWI705262B - 磁場感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種磁場感測裝置，包括多個平均電阻彼此不同的磁阻感測器群、第一及第二磁化方向設定元件。這些磁阻感測器群的數量為四。第一磁阻感測器群中的一部分與第二磁阻感測器群的一部分耦接而成第一電橋臂。第一磁阻感測器群中的另一部分與第二磁阻感測器群的另一部分耦接而成第二電橋臂。第三磁阻感測器群中的一部分與第四磁阻感測器群的一部分耦接而成第三電橋臂。第三磁阻感測器群中的另一部分與第四磁阻感測器群的另一部分耦接而成第四電橋臂。第一至第四電橋臂共同耦接成一惠斯同電橋。

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，其藉由磁阻感測元件以構成惠斯同電橋（Wheatstone bridge），並藉由電路的輸出訊號而量測外在磁場。但是，磁阻感測元件在製造過程中，由於製程因素（蝕刻製程、掀離製程等）而導致不同區域的磁阻感測元件具有不同的電阻，且電阻的差異相當明顯，即電阻的不匹配現象。導致現有的磁場感測裝置在還沒量測外在磁場之前即具有明顯的零場輸出偏移（Zero-field Output offset），而導致量測結果不準確。

本發明提供一種磁場感測裝置，其能夠有效地消除零場輸出偏移而具有準確的量測結果。

本發明的一實施例提出一種磁場感測裝置，包括多個磁阻感測器群、第一磁化方向設定元件及第二磁化方向設定元件。這些磁阻感測器群的平均電阻彼此不同，且各磁阻感測器群包括多個磁阻感測器。這些磁阻感測器群包括第一至第四磁阻感測器群。第一磁阻感測器群中的一部分與第二磁阻感測器群的一部分耦接而成第一電橋臂。第一磁阻感測器群中的另一部分與第二磁阻感測器群的另一部分耦接而成第二電橋臂。第三磁阻感測器群中的一部分與第四磁阻感測器群的一部分耦接而成第三電橋臂。第三磁阻感測器群中的另一部分與第四磁阻感測器群的另一部分耦接而成第四電橋臂。第一至第四電橋臂共同耦接成惠斯同電橋。第一磁化方向設定元件，與第一至第四磁阻感測器群中的二磁阻感測器群重疊設置。第二磁化方向設定元件，與第一至第四磁阻感測器群中的另二磁阻感測器群重疊設置。

在本發明的一實施例中，在第一至第四電橋臂中，其內的線路接法為S型迴路接法。

在本發明的一實施例中，在第一至第四電橋臂中，其內的線路接法為S型線路接法與直線線路接法。

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。電流產生器用以產生電流至第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件，其中電流在第一磁化方向設定元件內的流向與電流在第二磁化方向設定元件內的流向相反。

在本發明的一實施例中，上述的第一磁化方向設定元件與第一磁阻感測器群與第二磁阻感測器群重疊設置，且第二磁化方向設定元件與第三磁阻感測器群與第四磁阻感測器群重疊設置。

在本發明的一實施例中，上述的第一磁化方向設定元件與第一磁阻感測器群與第二磁阻感測器群重疊設置，且第二磁化方向設定元件與第三磁阻感測器群與第四磁阻感測器群重疊設置。

在本發明的一實施例中，上述的第一電橋臂與第二電橋臂與一第一端點耦接。第二電橋臂與第四電橋臂與第二端點耦接。第三電橋臂與第四電橋臂與第三端點耦接。第四電橋臂與該第一電橋臂與第四端點耦接。第一端點、第二端點、第三端點與第四端點彼此不同。

在本發明的一實施例中，上述的各磁阻感測器的延伸方向垂直於第一磁化方向設定元件與第二磁化方向設定元件的延伸方向。

在本發明的一實施例中，上述的磁阻感測器的種類為異向性磁阻感測器。

基於上述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，其具有平均電阻彼此不同的多個第一、第二、第三、第四磁阻感測器，藉由將第一至第四磁阻感測器相互交叉耦接的方式，以形成會司同電橋的第一、第二、第三與第四電橋臂，因此製程因素所造成的相關誤差可以分散於這些電橋臂中，藉此能夠有效地消除零場輸出偏移而具有準確的測量結果。

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是本發明一實施例的磁場感測裝置的示意圖。圖2是圖1的磁場感測裝置的有效電路圖。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，在本實施例中，磁場感測裝置100包括多個磁阻感測器群110、第一、第二磁化方向設定元件120、130與電流產生器140。於以下段落中會詳細說明上述各元件。

於本實施例中，各磁阻感測器群110包括多個磁阻感測器MR，各磁阻感測器MR的延伸方向例如是方向D2。這些磁阻感測器群110的數量例如是四個，分別被稱為第一、第二、第三、第四磁阻感測器群112、114、116、118。因製程因素，導致在不同區域的磁阻感測器群110的平均電阻彼此不同。在圖1中，以不同的剖面來標示屬於第一至第四磁阻感測器群112、114、116、118中的磁阻感測器MR。

承上述，磁阻感測器MR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MR可為異向性磁阻感測器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor, AMR resistor)。於本實施例中，磁阻感測器MR的延伸方向為方向D2。參照圖3A以及圖3B，異向性磁阻感測器MR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MR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MR的主體，其延伸方向即為異向性磁阻感測器MR的延伸方向。異向性磁阻感測器MR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)。

於本實施例中，第一、第二磁化方向設定元件120、130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，且第一、第二磁化方向設定元件120、130的延伸方向例如是方向D1，且方向D1垂直於方向D2。

於本實施例中，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，於以下的段落會搭配圖3A與圖3B簡介本實施例的磁場感測裝置100量測磁場的基本原理。

請參照圖3A與圖3B，異向性磁阻感測器MR在開始量測外在磁場H之前，可先藉由第一、第二磁化方向設定元件120、130來設定其磁化方向。在圖3A中，第一、第二磁化方向設定元件120、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MR具有磁化方向M。

接著，第一、第二磁化方向設定元件120、130不通電，以使異向性磁阻感測器MR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MR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MR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MR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MR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MR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MR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MR的電阻值會變成R+ΔR，亦即異向性磁阻感測器MR的電阻值變大。

此外，藉由第一、第二磁化方向設定元件120、130將異向性磁阻感測器MR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MR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MR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MR的電阻值會變成R-ΔR。

根據上述，在本實施例中，磁阻感測器群110中的磁阻感測器MR會因為外在磁場導致其電阻產生變化，並可藉由惠斯同電橋WHB的電壓輸出端的差分訊號來判斷外在磁場的方向與大小。但，若因製程因素導致不同區域的磁阻感測器MR的電阻值R差異過大，則惠斯同電橋WHB會在還沒測量外來磁場之前就會有一個明顯的零場輸出偏移。因此，本實施例的磁場感測裝置100的至少一個目的是要解決上述零場輸出偏移的問題。

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，大體上來說，於本實施例中，第一磁化方向設定元件120與第一、第二磁阻感測器群112、114重疊設置，且設置於第一、第二磁阻感測器群112、114的下方。第二磁化方向設定元件130與第三、第四磁阻感測器群116、118重疊設置，且設置於第三、第四磁阻感測器群116、118的下方。電流產生器140藉由導線與第一、第二磁化方向設定元件120、130耦接，以構成S型迴路。當電流產生器140產生電流I後，電流I藉由導線流入第一、第二磁化方向設定元件120、130中，其在第一磁化方向設定元件120內的電流方向為方向D1，而其在第二磁化方向設定元件130內的電流方向為方向D1的反方向，即在第一、第二磁化方向設定元件120、130內的電流流向互為反平行（anti-parallel）。因此，第一磁化方向設定元件120例如是將第一、第二磁阻感測器群112、114的磁化方向M設定為方向D2，第二磁化方向設定元件130例如是將第三、第四磁阻感測器群116、118的磁化方向設定為方向D2的反方向。

請再參照圖1，細部來說，於本實施例中，藉由將平均電阻彼此不同的第一至第四磁阻感測器群112~118的磁阻感測器MR混接(interdigitate)的方式耦接成惠斯同電橋WHB的第一至第四電橋臂ARM1~ARM4，以將電阻之間的差異分散至各電橋臂中。所謂的磁阻感測器群110中的平均電阻係指：將在相應的磁阻感測器群110中的所有磁阻感測器MR的電阻的算術平均數。舉例來說，於圖1中可看出：第一磁阻感測器群112的磁阻感測器MR有三個，那麼第一磁阻感測器群112的平均電阻就是把這三個磁阻感測器MR(112)加總起來後再做算術平均，其他的以此類推。於以下的段落中會詳細說明各電橋臂的耦接方式。

於本實施例中，第一電橋臂ARM1例如是由第一磁阻感測器群112中的一部分（一個）與第二磁阻感測器群114的一部分（兩個）耦接而成。

第二電橋臂ARM2例如是由第一磁阻感測器群112中的另一部分（兩個）與第二磁阻感測器群114的另一部分（一個）耦接而成。

於本實施例中，第三電橋臂ARM3例如是由第三磁阻感測器群116中的一部分（兩個）與第四磁阻感測器群118的一部分（一個）耦接而成。

第四電橋臂ARM4例如是由第三磁阻感測器群116中的另一部分（一個）與第四磁阻感測器群118的一部分（兩個）耦接而成。

承上述，也就是說，於本實施例中，各電橋臂ARM1~ARM4皆由磁化方向相同的磁阻感測器MR耦接而成。於本實施例中，各電橋臂ARM1~ARM4內的導線接法是S型接法。由另一觀點觀之，在各電橋臂ARM1~ARM4中，兩兩磁阻感測器MR之間的導線為彎曲的導線。

請同時參照圖1與圖2，於本實施例的磁場感測裝置100中，第一、第二電橋臂ARM1、ARM2與第一端點P1耦接。第二、與第四電橋臂ARM2、ARM4與第二端點P2耦接。第三、第四電橋臂ARM3、ARM4與第三端點P3耦接。第四、第一電橋臂ARM4、ARM1與第四端點P4耦接。第一至第四端點P1~P4彼此不同，其中第一端點P1例如是做為電壓供應端V _DD，第二、第四端點P2、P4例如是做為電壓輸出端，第三端點P3例如是做為接地端GND，但本發明並不以此為限。

承上述，在本實施例的磁場感測裝置100中，其具有平均電阻彼此不同的第一至第四磁阻感測器群112、114、116、118。磁場感測裝置100藉由將第一至第四磁阻感測器群112、114、116、118以上述相互交叉耦接的方式，形成惠斯同電橋WHB的第一、第二、第三與第四電橋臂ARM1~ARM4，因此製程因素所造成的相關誤差可藉由上述耦接方式而分散於這些電橋臂ARM1~ARM4中，藉此能夠有效地消除零場輸出偏移而具有準確的量測結果。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。

圖4是本發明另一實施例的磁場感測裝置的示意圖。

請參照圖4，圖4的磁場感測裝置100a大體上類似於圖1的磁場感測裝置100，其主要差異為：第一、第二磁化方向設定元件120、130與第一至第四磁阻感測器群112、114、116、118之間的設置關係不同、第一至第四電橋臂ARM1a~ARM4a內的磁阻感測器數量、性質與導線接法皆有不同，於以下的段落中會詳細說明上述差異為何。

於本實施例中，第一磁化方向設定元件120與第一、第四磁阻感測器群112、118重疊設置且設置於第一、第四磁阻感測器群112、118下方，而第二磁化方向設定元件130則與第二、第三磁阻感測器群114、116重疊設置且設置於第二、第三磁阻感測器群114、116下方。由於電流產生器140所產生的電流I在第一、第二磁化方向設定元件120、130內的電流方向分別為方向D1與方向D1的反向，因此第一磁化方向設定元件120將第一、第四磁阻感測器群112、118內的磁阻感測器MR的磁化方向M設定為方向D2，第二磁化方向設定元件130將第二、第三磁阻感測器群114、116內的磁阻感測器MR的磁化方向M設定為方向D2的反向。

於本實施例中，第一電橋臂ARM1a例如是由第一磁阻感測器群112中的一部分（三個）與第二磁阻感測器群114的一部分（三個）耦接而成。

於本實施例中，第二電橋臂ARM2a例如是由第一磁阻感測器群112中的另一部分（三個）與第二磁阻感測器群114的另一部分（三個）耦接而成。

於本實施例中，第三電橋臂ARM3a例如是由第三磁阻感測器群116中的一部分（三個）與第四磁阻感測器群118的一部分（三個）耦接而成。

於本實施例中，第四電橋臂ARM4a例如是由第三磁阻感測器群116中的另一部分（三個）與第四磁阻感測器群118的另一部分（三個）耦接而成。

應注意的是，上述各電橋臂ARM1a~ARM4a所構成的惠斯同電橋的等效電路亦可參照圖2的等效電路，其說明類似於圖1，於此不再贅述。

承上述，也就是說，於本實施例中，各電橋臂ARM1a~ARM4a由磁化方向不同的磁阻感測器MR耦接而成。此外，各電橋臂ARM1a~ARM4a內的接線接法也稍有不同。詳細來說，在各電橋臂ARM1a~ARM4a中，部分磁阻感測器MR之間的導線接法例如是S型接法，而另一部分磁阻感測器MR之間的導線接法例如是直線接法。

綜上所述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，其具有平均電阻彼此不同的多個第一、第二、第三、第四磁阻感測器，藉由將第一至第四磁阻感測器相互交叉耦接的方式，以形成會司同電橋的第一、第二、第三與第四電橋臂，因此製程因素所造成的相關誤差可藉由相互交叉耦接的方式而分散於這些電橋臂中，藉此能夠有效地消除零場輸出偏移而具有準確的測量結果。

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:磁場感測裝置 110:磁阻感測器群 112:第一磁阻感測器群 114:第二磁阻感測器群 116:第三磁阻感測器群 118:第四磁阻感測器群 120:第一磁化方向設定元件 130:第二磁化方向設定元件 140:電流產生器 ARM1、ARM1a:第一電橋臂 ARM2、ARM2a:第二電橋臂 ARM3、ARM3a:第三電橋臂 ARM4、ARM4a:第四電橋臂 D:延伸方向 D1、D2:方向 FF:鐵磁膜 GND:接地端 H:外在磁場 I:電流 M:磁化方向 MR:磁阻感測器 SB:短路棒 SD:感測方向 V_DD:電壓供應端 WHB:惠斯同電橋

圖1是本發明一實施例的磁場感測裝置的示意圖。 圖2是圖1的磁場感測裝置的有效電路圖。 圖3A與圖3B為圖1中異向性磁阻感測器的不同佈局方法。 圖4是本發明另一實施例的磁場感測裝置的示意圖。

100:磁場感測裝置

110:磁阻感測器群

112:第一磁阻感測器群

114:第二磁阻感測器群

116:第三磁阻感測器群

118:第四磁阻感測器群

120:第一磁化方向設定元件

130:第二磁化方向設定元件

140:電流產生器

ARM1:第一電橋臂

ARM2:第二電橋臂

ARM3:第三電橋臂

ARM4:第四電橋臂

D1、D2:方向

I:電流

M:磁化方向

MR:磁阻感測器

WHB:惠斯同電橋

Claims (9)

1. 一種磁場感測裝置，其特徵在於，包括： 多個磁阻感測器群，該些磁阻感測器群的平均電阻彼此不同，且各該磁阻感測器群包括多個磁阻感測器，其中該些磁阻感測器群包括第一至第四磁阻感測器群； 該第一磁阻感測器群中的一部分與該第二磁阻感測器群的一部分耦接而成一第一電橋臂； 該第一磁阻感測器群中的另一部分與該第二磁阻感測器群的另一部分耦接而成一第二電橋臂； 該第三磁阻感測器群中的一部分與該第四磁阻感測器群的一部分耦接而成一第三電橋臂； 該第三磁阻感測器群中的另一部分與該第四磁阻感測器群的另一部分耦接而成一第四電橋臂； 該第一至該第四電橋臂共同耦接成一惠斯同電橋； 一第一磁化方向設定元件，與該第一至該第四磁阻感測器群中的二磁阻感測器群重疊設置；以及 一第二磁化方向設定元件，與該第一至該第四磁阻感測器群中的另二磁阻感測器群重疊設置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，其中，在該第一至該第四電橋臂中，其內的線路接法為S型迴路接法。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，其中，在該第一至該第四電橋臂中，其內的線路接法為S型迴路接法與直線接法。
4. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，更包括： 一電流產生器，用以產生電流至該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件， 其中該電流在該第一磁化方向設定元件內的流向與該電流在該第二磁化方向設定元件內的流向相反。
5. 如申請專利範圍第4項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，其中，該第一磁化方向設定元件與該第一磁阻感測器群與該第二磁阻感測器群重疊設置，且該第二磁化方向設定元件與該第三磁阻感測器群與該第四磁阻感測器群重疊設置。
6. 如申請專利範圍第4項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，其中，該第一磁化方向設定元件與該第一磁阻感測器群與該第二磁阻感測器群重疊設置，且該第二磁化方向設定元件與該第三磁阻感測器群與該第四磁阻感測器群重疊設置。
7. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其特徵在於，其中， 該第一電橋臂與該第二電橋臂與一第一端點耦接； 該第二電橋臂與該第四電橋臂與一第二端點耦接； 該第三電橋臂與該第四電橋臂與一第三端點耦接；以及 該第四電橋臂與該第一電橋臂與一第四端點耦接， 其中該第一端點、該第二端點、該第三端點與該第四端點彼此不同。
8. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中各該磁阻感測器的延伸方向垂直於該第一磁化方向設定元件與該第二磁化方向設定元件的延伸方向。
9. 如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該磁阻感測器的種類為異向性磁阻感測器。

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