TWI747285B - 磁場感測裝置 - Google Patents

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TWI747285B
TWI747285B TW109116138A TW109116138A TWI747285B TW I747285 B TWI747285 B TW I747285B TW 109116138 A TW109116138 A TW 109116138A TW 109116138 A TW109116138 A TW 109116138A TW I747285 B TWI747285 B TW I747285B
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Abstract

一種磁場感測裝置，包括磁通集中器、多個單方向磁阻感測器以及分時切換電路。磁通集中器具有多個角落。這些單方向磁阻感測器具有相同的釘扎方向。這些單方向磁阻感測器分別設置於多個角落旁。分時切換電路與這些單方向磁阻感測器耦接，且分時切換電路在不同的時間區間內用以切換這些單方向磁阻感測器的之間的接點的至少一部分而改變這些單方向磁阻感測器之間的電路接法，以在不同的時間區間內形成不同的惠司同電橋以量測一外在磁場在不同方向上的磁場分量。

Description

磁場感測裝置
本發明是有關於一種電子裝置，且特別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。
為了達到單軸的感測，一般來說會將巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)多層膜結構或穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)多層膜結構構成惠斯通全橋，並使這些磁阻多層膜結構的釘扎方向設計有兩個互為反平行的釘扎方向(pinning direction)。舉例來說，為了要達到三軸的感測，則需要六個兩兩互為反平行的釘扎方向。然而，要在晶圓上的反鐵磁層(antiferromagnetic layer)設計出不同的釘扎方向會導致製造困難，而產生額外成本，並使得釘扎層穩定度降低。
本發明提供一種磁場感測裝置，其製造簡單、生產成本低且具有良好的穩定性。
在本發明的一實施例中提供一種磁場感測裝置，包括磁通集中器、多個單方向磁阻感測器以及分時切換電路。磁通集中器具有多個角落。這些單方向磁阻感測器具有相同的釘扎方向。這些單方向磁阻感測器分別設置於多個角落旁。定義一平行於磁通集中器的一邊的一參考軸，這些單方向磁阻感測器的易磁化軸與參考軸夾有一第一銳角。分時切換電路與這些單方向磁阻感測器耦接，且分時切換電路在不同的時間區間內用以切換這些單方向磁阻感測器的之間的接點的至少一部分而改變這些單方向磁阻感測器之間的電路接法，以在不同的時間區間內形成不同的惠司同電橋以量測一外在磁場在不同方向上的磁場分量。
在本發明的一實施例中，上述的磁通集中器包括多個邊。這些邊包括第一邊、第二邊、第三邊及第四邊。第一邊相對於第三邊，第二邊相對於第四邊。第一邊分別與第二邊及第四邊連接且分別構成這些角落中的第一角落、第二角落。第三邊分別與第二邊及第四邊連接且分別構成這些角落中的第三角落、第四角落。第一角落與第四角落互為對角，第二角落與第三角落互為對角。
在本發明的一實施例中，上述的這些單方向磁阻感測器分為第一部分與第二部分。第一部分包括位於第一角落旁與第二 角落旁的二單方向磁感測器，且其所有易磁化軸的軸向彼此平行。第二部分包括位於第三角落旁與第四角落旁的二單方向磁感測器，且其所有易磁化軸的軸向彼此平行。第一部分中的所有單方向磁阻感測器的易磁化軸的軸向為第一軸向。第二部分中的所有單方向磁阻感測器的易磁化軸的軸向為第二軸向。第一軸向不平行於第二軸向。
在本發明的一實施例中，上述的這些單方向磁阻感測器的這些易磁化軸的軸向彼此平行。
在本發明的一實施例中，上述的單方向磁阻感測器的所易磁化軸的軸向為其延伸方向。
在本發明的一實施例中，上述的銳角的範圍落在20度至70度的範圍內。
在本發明的一實施例中，在第一時間區間內，分時切換電路將第一單方向磁感測器的一端連接於第三單方向磁阻感測器的一端，第一單方向磁感測器的另一端連接於第四單方向磁阻感測器的一端，並將第二單方向磁感測器的一端連接於第三單方向磁阻感測器的另一端，第二單方向磁感測器的另一端連接於第四單方向磁阻感測器的另一端，以形成第一惠司同電橋，第一惠司同電橋用以量測外在磁場在第一方向上的磁場分量。
在本發明的一實施例中，在第二時間區間內，分時切換電路將第一單方向磁感測器的一端連接於第二單方向磁阻感測器的一端，第一單方向磁感測器的另一端連接於第四單方向磁阻感 測器的一端，並將第三單方向磁感測器的一端連接於第二單方向磁阻感測器的另一端。第三單方向磁感測器的另一端連接於第四單方向磁阻感測器的另一端，以形成第二惠司同電橋。第二惠司同電橋用以量測外在磁場在第二方向上的磁場分量。
在本發明的一實施例中，在第三時間區間內，分時切換電路將第一單方向磁感測器的一端連接於第二單方向磁阻感測器的一端，第一單方向磁感測器的另一端連接於第三單方向磁阻感測器的一端，並將第四單方向磁感測器的一端連接於第二單方向磁阻感測器的另一端，第四單方向磁感測器的另一端連接於第三單方向磁阻感測器的另一端，以形成第三惠司同電橋，第三惠司同電橋用以量測外在磁場在第三方向上的磁場分量。
在本發明的一實施例中，上述的易磁化軸的軸向與釘扎方向夾有第二銳角。
在本發明的一實施例中，上述的易磁化軸的軸向與釘扎方向互為垂直。
在本發明的一實施例中，上述的單方向磁阻感測器的種類包括巨磁阻感測器或穿隧磁阻感測器。
基於上述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，由於這些單方向磁阻感測器的釘扎方向皆為同一方向，因此其製造過程簡單，成本較低且具有良好的穩定性。並且，磁場感測裝置中的分時切換電路可在不同的時間區間內將位於磁通集中器的這些角落旁的這些單方向磁阻感測器構成不同的惠司同電橋，以量測外 在磁場在不同方向上的磁場分量。由於不同的惠司同電橋的線路會跨設磁通集中器本身，因此磁場感測裝置可具有較小的體積。
100、100a~100d:磁場感測裝置
100’、100”:磁場感測元件
110:磁通集中器
120:單方向磁阻感測器
1201~1204:第一至第四單方向磁阻感測器
122:釘扎層
124:受釘扎層
126:間隔層
128:自由層
130:分時切換電路
C、C1~C4:角落
D1~D3:方向
H、HD1、HD2、HD3:外在磁場
H’:被彎曲的外在磁場
E:邊
E1~E4:第一至第四邊
PD:釘扎方向
FD:易磁化軸
ED:延伸方向
P1、P2:第一、第二部分
R:電阻
RX:參考軸
S:基板
SD:感測方向
WH:惠司同電橋
WH1~WH3:第一至第三惠司同電橋
θ1、θ2:銳角
圖1為本發明之一實施例的磁場感測裝置的上視結構示意圖。
圖2A、圖2B及圖2C分別為沿著不同方向的外在磁場施加於圖1之磁場感測裝置時，外在磁場被磁通集中器轉變的磁力線模擬圖。
圖3A為圖1中的單方向磁阻感測器的多層膜結構之立體示意圖。
圖3B繪示圖3A之單方向磁阻感測器的釘扎方向與自由層的易磁化軸。
圖3C繪示圖3A中的單方向磁阻感測器於不同方向的外在磁場的作用下及沒有外在磁場的情況下電阻的變化。
圖4A至圖4C為在第一時間區間中圖1的磁場感測裝置置於不同方向的外在磁場的示意圖。
圖4D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第一方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第一惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
圖5A至圖5C為在第二時間區間中圖1的磁場感測裝置置於 不同方向的外在磁場的示意圖。
圖5D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第二方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第二惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
圖6A至圖6C為在第三時間區間中圖1的磁場感測裝置置於不同方向的外在磁場的示意圖。
圖6D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第三方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第三惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
圖7為本發明另一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。
圖8為本發明又一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。
圖9為本發明再一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。
圖10為本發明又一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。
為了方便說明本發明實施例的磁場感測裝置的配置方式，磁場感測裝置可被視為處於由方向D1、D2、D3構成的一空間內，且上述方向D1、D2、D3兩兩互為垂直。
圖1為本發明之一實施例的磁場感測裝置的上視結構示 意圖。圖2A、圖2B及圖2C分別為沿著不同方向的外在磁場施加於圖1之磁場感測裝置時，外在磁場被磁通集中器轉變的磁力線模擬圖。圖3A為圖1中的單方向磁阻感測器的多層膜結構之立體示意圖。圖3B繪示圖3A之單方向磁阻感測器的釘扎方向與自由層的易磁化軸。圖3C繪示圖3A中的單方向磁阻感測器於不同方向的外在磁場的作用下及沒有外在磁場的情況下電阻的變化。
請參照圖1，在本實施例中，磁場感測裝置100包括基板S、磁通集中器110、多個單方向磁阻感測器120以及分時切換電路130。於以下的段落中會詳細地說明上述各元件。
在本發明的實施例中，基板S例如是空白的矽基板(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。
在本發明的實施例中，磁通集中器110係指其能夠將磁場的磁力線集中或彎曲的元件。磁通集中器110的材料例如是具有高導磁率的鐵磁材料，其例如為鎳鐵合金、鈷鐵或鈷鐵硼合金、鐵氧磁體或其他高導磁率材料，本發明不以此為限。請參照圖2A至圖2C，這些圖式示出磁通集中器110被置於沿著不同方向D1~D3的外在磁場HD1、HD2、HD3的磁力線分佈圖，從中可看出磁通集中器110可使外在磁場HD1、HD2、HD3的磁力線集中或彎曲的效應。
在本發明的實施例中，單方向磁阻感測器120指其電阻可經由外在磁場變化而對應改變的感測器，其種類包括巨磁阻感 測器或穿隧磁阻感測器。於本實施例中，單方向磁阻感測器120的數量例如是四個，但本發明並不以此為限。
請參照圖3A至圖3C，在本實施例中，單方向磁阻感測器120包括釘扎層(pinning layer)122、受釘扎層(pinned layer)124、間隔層(spacer layer)126及自由層(free layer)128。釘扎層122固定了受釘扎層124的磁化方向(magnetization direction)，即為釘扎方向E1，而自由層128的易磁化軸FD的方向則可與釘扎方向E1實質上垂直。當單方向磁阻感測器120為巨磁阻感測器時，間隔層126的材質為非磁性金屬(non-magnetic metal)。此外，當單方向磁阻感測器120為穿隧磁阻感測器時，間隔層126的材質為絕緣材質。請參照圖1，應注意的是，於本實施例中，所謂的「單方向」係指這些磁阻感測器110的釘扎方向PD為同一個方向，其例如是方向D2。
圖3C中的曲線圖表現了單方向磁阻感測器120的電阻R相對於外在磁場H的變化。請同時參照圖3A至圖3C，當單方向磁阻感測器120的釘札方向PD與易磁化軸FD之間的夾角為90度時，電阻值為R0。當單方向磁阻感測器120置於一外在磁場時，易磁化軸FD會受到外在磁場影響而往外在磁場的方向旋轉。倘若外在磁場的方向在釘札方向PD與原先易磁化軸FD的軸向之間，易磁化軸FD的軸向會往靠近釘札方向PD的方向旋轉以使兩者之間的夾角降低，也就是從原先的90度變成小於90度，此時電阻值R會下降為R0-△R，其中△R大於0。倘若外在磁場的方向在釘 札方向PD與原先易磁化軸FD的軸向之外，易磁化軸FD的軸向會往遠離釘札方向PD的方向旋轉以使兩者之間的夾角增加，也就是從原先的90度變成大於90度，此時電阻值R會增加為R0+△R。倘若外在磁場的方向剛好在原先易磁化軸FD的軸向，那麼易磁化軸FD的軸向不會偏轉，兩者之間的夾角不會增加，此時電阻值R不會改變。
分時切換電路130耦接於這些單方向磁阻感測器120，並用以切換這些單方向磁阻感測器120的之間的接點的至少一部分而改變這些單方向磁阻感測器120之間的電路接法。
在簡要地說明完上述各元件的功能之後，於以下的段落中會詳細的說明各元件之間的配置關係。
請參照圖1，由俯視觀之本實施例的磁通集中器110，其其形狀大致上呈正方形的形狀，但不以此為限。磁通集中器110具有多個邊E，分別稱為第一至第四邊E1~E4，第一邊E1相對於第三邊E3，第二邊E2相對於第四邊E4，第一邊E1與第二、第四邊E2、E4連接，第二邊E2與第一、第三邊E1、E3連接，第三邊E3與第二、第四邊E2、E4連接，第四邊E4與第一、第三邊E1、E3連接。並且，磁通集中器具有多個角落C，任兩相鄰的邊E構成一角落C，其中第一邊E1與第二邊E2構成角落C1，第一邊E1與第四邊E4構成角落C2，第二邊E2與第三邊E3構成角落C3，第三邊E3與第四邊E4構成角落C4，其中角落C1、C4互為對角，角落C2、C3互為對角。
請再參照圖1，這些單方向磁阻感測器120分別設置於磁通集中器110的四個角落C旁，位於角落C1~C4旁的單方向磁阻感測器120分別稱為第一至第四單方向磁阻感測器1201~1204。這些單方向磁阻感測器120具有相同的釘扎方向PD，其中釘扎方向PD例如是平行於方向D2。並且，由俯視觀之本實施例的單方向磁阻感測器120，其形狀大致上為長方形，其在外觀上長邊的延伸方向ED例如為易磁化軸FD的方向，且這些單方向磁阻感測器120的易磁化軸FD皆為相同。定義一平行於磁通集中器110的一長邊LE的一參考軸RX，這些單方向磁阻感測器110的易磁化軸FD與參考軸RX夾有一銳角θ1，其中銳角θ1的範圍落在20度至70度的範圍內。此外，在各單方向磁阻感測器120中，易磁化軸FD的方向與釘扎方向PD之間亦夾銳角θ2。
更詳細來說，若將這些單方向磁阻感測器120分別第一、第二部分P1、P2，第一部分P1包括位於第一、第二角落C1、C2旁的第一、第二單方向磁阻感測器1201、1202，第二部分P2包括位於第三、第四角落C3、C4旁的第三、第四單方向磁阻感測器1203、1204。在第一部分P1中，第一、第二單方向磁阻感測器1201、1202的易磁化軸FD的軸向(或稱第一軸向)例如是在方向D1與方向D2之間的一斜右向上的方向。在第二部分P2中，第三、第四單方向磁阻感測器1203、1204的易磁化軸FD的軸向(或稱第二軸向)例如是在方向D1的反方向與方向D2之間的一斜左向上的方向。第一軸向不平行於第二軸向。
請再參照圖1，磁通集中器110、這些單方向磁阻感測器120與分時切換電路130皆整合於基板S內，且分時切換電路130與這些單方向磁阻感測器120耦接。
在說明完上述各元件的配置之後，於以下的段落中會詳細的說明磁場感測裝置100如何測量不同方向上的磁場分量。
圖4A至圖4C為在第一時間區間中圖1的磁場感測裝置置於不同方向的外在磁場的示意圖。圖4D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第一方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第一惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
請同時參照圖4A至圖4C，在第一時間區間中，這些單方向磁阻感測器120被分時切換電路130耦接成第一惠司同電橋WH1。詳細來說，每一個單方向磁阻感測器120皆具有相對的兩端，在第一惠司同電橋WH1中，第一單方向磁感測器1201的一端連接於第三單方向磁阻感測器1203的一端，第一單方向磁感測器1201的另一端連接於第四單方向磁阻感測器1204的一端。第二單方向磁感測器1202的一端連接於第三單方向磁阻感測器1203的另一端，第二單方向磁感測器1202的另一端連接於第四單方向磁阻感測器1204的另一端。
接著，於下列段落中會依據此第一惠司同電橋WH1的架構以大致說明在不同方向的外在磁場HD1、HD2、HD3中第一惠司同電橋WH1的反應。
請同時參照圖2A與圖4A，當磁場感測裝置100置於磁 場方向為方向D1的外在磁場HD1中時，外在磁場HD1會因為磁通集中器110的影響而形成一彎曲後的外在磁場H’。在這些單方向磁感測器110的位置中，被彎曲的外在磁場H’的方向大致上不會被磁通集中器110所改變，所以這些單方向磁感測器110都是感應到同一方向的磁場。
又，在第一部分P1中的單方向磁感測器1201、1202的易磁化軸FD斜右向上的方向，當這些單方向磁感測器1201、1202處於向右的外在磁場H’外在磁場時，其易磁化軸FD會受外在磁場H’外在磁場影響而更往外在磁場H’外在磁場所在的方向偏轉，因此釘扎方向PD與易磁化軸FD之間的銳角θ2會增大而導致其電阻值產生正△R的變化，其中△R大於0。
又，在第二部分P2中的單方向磁感測器1203、1204的易磁化軸FD斜左向上的方向，當這些單方向磁感測器1203、1204處於向右的外在磁場H’外在磁場時，其易磁化軸FD會受外在磁場HD1影響而更往外在磁場H’外在磁場所在的方向偏轉，因此釘扎方向PD與易磁化軸FD之間的銳角θ2會變小而導致其電阻值產生負△R的變化，其中△R大於0。
上述是以外在磁場H’外在磁場的方向向右做為說明，若外在磁場H’外在磁場的方向向左，則上述的電阻值變化對應相反，於此不再贅述。
藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第一惠司同電橋WH1可輸出如同圖4D的一電壓訊號。由圖4D可看出， 在外在磁場H’外在磁場的一既定大小範圍內，電壓訊號是呈線性分佈的。在此既定大小範圍內，磁場感測裝置100內的計算器(未示出)可根據此電壓訊號來判斷外在磁場HD1在方向D1上的大小與正負值。
請同時參照圖2B與圖4B，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D2的外在磁場HD2中時，因磁通集中器110對外在磁場HD2的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向左、向右、向右、向左的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生負△R、正△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第一惠司同電橋WH1可輸出另一電壓訊號，但此另一電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外來磁場HD2的增加或減少而改變，即此第一惠司同電橋WH1無法測量在方向D2上的磁場分量。
請同時參照圖2C與圖4C，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D3的外在磁場HD3中時，因磁通集中器110對外在磁場HD3的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向右、向左、向右、向左的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生正△R、負△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器 120的電阻變化，第一惠司同電橋WH1可輸出又一電壓訊號，但此又一電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外來磁場HD3的增加或減少而改變，即此第一惠司同電橋WH1無法測量在方向D3上的磁場分量。
承上述，在第一時間區間內，分時切換電路130可將這些單方向磁阻感測器120耦接成第一惠司同電橋WH1，以量測外在磁場在第一方向D1上的磁場分量。
圖5A至圖5C為在第二時間區間中圖1的磁場感測裝置置於不同方向的外在磁場的示意圖。圖5D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第二方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第二惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
請同時參照圖5A至圖5C，在第二時間區間中，這些單方向磁阻感測器120被分時切換電路130耦接成第二惠司同電橋WH2。詳細來說，在第二惠司同電橋WH2中，第一單方向磁感測器1201的一端連接於第二單方向磁阻感測器1202的一端，第一單方向磁感測器1201的另一端連接於第四單方向磁阻感測器1204的一端。第三單方向磁感測器1203的一端連接於第二單方向磁阻感測器1202的另一端。第三單方向磁感測器1203的另一端連接於第四單方向磁阻感測器1204的另一端。
接著，於下列段落中會依據此第二惠司同電橋WH2的架構以大致說明在不同方向的外在磁場中第二惠司同電橋WH2的反應。
請同時參照圖2A與圖5A，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D1的外在磁場HD1中時，因磁通集中器110對外在磁場HD1的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204皆感受到方向向右的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生正△R、正△R、負△R、負△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第二惠司同電橋WH2可輸出一電壓訊號，但此電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外在磁場HD1的增加或減少而改變，即此第二惠司同電橋WH2無法測量在方向D1上的磁場分量。
請同時參照圖2B與圖5B，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D2的外在磁場HD2中時，因磁通集中器110對外在磁場HD2的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向左、向右、向右、向左的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生負△R、正△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第二惠司同電橋WH1可輸出另一電壓訊號(如圖5D所示)，由圖5D可看出，在外在磁場HD2的一既定大小範圍內，此另一電壓訊號是呈線性分佈的。在此既定大小範圍內，磁場感測裝置100內的計算器(未示出)可根據此電壓訊號來判斷外在磁場HD2在方向D2上的大小與正負值。
請同時參照圖2C與圖5C，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D3的外在磁場HD3中時，因磁通集中器110對外在磁場HD3的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向左、向左、向右、向左的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生正△R、負△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第二惠司同電橋WH2可輸出又一電壓訊號，但此又一電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外在磁場HD3的增加或減少而改變，即此第二惠司同電橋WH2無法測量在方向D3上的磁場分量。
承上述，在第二時間區間內，分時切換電路130可將這些單方向磁阻感測器120耦接成第二惠司同電橋WH2，以量測外在磁場在第二方向D2上的磁場分量。
圖6A至圖6C為在第三時間區間中圖1的磁場感測裝置置於不同方向的外在磁場的示意圖。圖6D是圖1的磁場感測裝置置於沿著第三方向上的外在磁場時的外在磁場大小與第三惠司同電橋所輸出的電壓訊號的關係圖。
請同時參照圖6A至圖6C，在第三時間區間中，這些單方向磁阻感測器120被分時切換電路130耦接成第三惠司同電橋WH3。詳細來說，在第三惠司同電橋WH3中，第一單方向磁感測器1201的一端連接於第二單方向磁阻感測器1202的一端，第一 單方向磁感測器1201的另一端連接於第三單方向磁阻感測器1203的一端，並將第四單方向磁感測器1204的一端連接於第二單方向磁阻感測器1202的另一端，第四單方向磁感測器1204的另一端連接於第三單方向磁阻感測器1203的另一端。
接著，於下列段落中會依據此第三惠司同電橋WH3的架構以大致說明在不同方向的外在磁場中第三惠司同電橋WH3的反應。
請同時參照圖2A與圖6A，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D1的外在磁場HD1中時，因磁通集中器110對外在磁場HD1的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204皆感受到方向向右的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生正△R、正△R、負△R、負△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第三惠司同電橋WH3可輸出一電壓訊號，但此電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外在磁場HD1的增加或減少而改變，即此第三惠司同電橋WH3無法測量在方向D1上的磁場分量。
請同時參照圖2B與圖6B，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D2的外在磁場HD2中時，因磁通集中器110對外在磁場HD2的磁力線彎曲效應，第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向左、向右、向右、向左的彎曲的磁場分量H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻 值依序產生負△R、正△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第二惠司同電橋WH2可輸出另一電壓訊號，但此另一電壓訊號為常數，換言之，即此常數電壓訊號不會因為外在磁場HD2的增加或減少而改變，即此第三惠司同電橋WH3無法測量在方向D2上的磁場分量。
請同時參照圖2C與圖6C，當磁場感測裝置100置於磁場方向為方向D3的外在磁場HD3中時，因磁通集中器110對外在磁場HD3的磁力線彎曲效應，而形成彎曲後的外在磁場H’。在不同位置處的第一至第四單方向磁感測器1201~1204會依序感受到方向向右、向左、向右、向左的外在磁場H’。因此，第一至第四單方向磁感測器1201~1204的電阻值依序產生正△R、負△R、負△R、正△R的變化，其中△R大於0。藉由上述單方向磁阻感測器120的電阻變化，第三惠司同電橋WH3可輸出又一電壓訊號(如圖6D所示)，由圖6D可看出，在外在磁場HD3的一既定大小範圍內，此另一電壓訊號是呈線性分佈的。在此既定大小範圍內，磁場感測裝置100內的計算器(未示出)可根據此電壓訊號來判斷外在磁場HD3在方向D3上的大小與正負值。
承上述，在第三時間區間內，分時切換電路130可將這些單方向磁阻感測器120耦接成第三惠司同電橋WH3，以量測外在磁場在第三方向D3上的磁場分量。
承上述，在本實施例的磁場感測裝置100中，由於這些單方向磁阻感測器120的釘扎方向PD皆為同一方向，且這些單方 向磁阻感測器120設置於磁通集中器110的多個角落C旁，磁通集中器110可將不同方向的外在磁場HD1、HD2、HD3的磁力線彎曲，以使這些單方向磁阻感測器120針對不同方向的外在磁場HD1、HD2、HD3具有不同的電阻變化，接著，分時切換電路130可將這些單方向磁阻感測器120之間的接點改變，以在不同的時間區間內切換成不同的惠司同電橋WH1~WH3，不同的惠司同電橋WH1~WH3可針對上述不同情況的電阻變化而可輸出與不同方向的外在磁場具有線性關係的電壓訊號，磁場感測裝置100根據此具有線性關係的電壓訊號以分別量測外在磁場在不同方向上的磁場分量。因此，本實施例的磁場感測裝置100以單方向磁阻感測器120的設計而可實現三軸感測，其製造過程簡單，成本較低且具有良好的穩定性。由於不同的惠司同電橋WH1~WH3的線路會跨設磁通集中器110本身，因此磁場感測裝置100可具有較小的體積。
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7為本發明另一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。
請參照圖7，圖7實施例的磁場感測裝置100a大致上類似於圖1的磁場感測裝置100，其主要差異在於：在磁場感測裝置100a中，這些單方向磁阻感測器120的這些易磁化軸FD的軸向彼此平行。並且，在各單方向磁阻感測器120中，易磁化軸FD的 軸向與釘扎方向PD互為垂直。此外，於此實施例中的磁場感測裝置100a亦可以採用類似於上述第一至第三惠司同電橋WH1~WH3的電路接法，以量測不同方向上的磁場分量，於此不再贅述。
圖8為本發明又一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。
請參照圖8，圖8實施例的磁場感測裝置100b大致上類似於圖1的磁場感測裝置100，其主要差異在於：在磁場感測裝置100b中，基板S上整合有多個如同圖1的磁場感測裝置100。
圖9為本發明再一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。為求簡要，單方向磁阻感測器120以一方框繪示。
請參照圖9，圖9實施例的磁場感測裝置100c大致上類似於圖1的磁場感測裝置100，其主要差異在於：在磁場感測裝置100c中，包括如同圖1的磁場感測裝置100以及磁場感測元件100’，其中磁場感測元件100’內設有多個單方向磁阻感測器(未示出)。磁場感測裝置100c的單方向磁阻感測器120的電路接法為如同圖5A至圖5C的第二惠司同電橋接法，以量測在第二方向D2上的磁場分量。並且，磁通集中器110的第一、第三邊ED1、ED3旁的區域分別稱為第一、第三區域R1、R3，磁通集中器110的第二、第四邊ED2、ED4旁的區域分別稱為第二、第四區域R2、R4。
承圖9的架構，在一實施例的磁場感測裝置100c中，磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於第二區域R2，而另一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於 第四區域R4，以共同構成一個可切換的惠司同電橋，且可再藉由分時切換電路130將此惠司同電橋內部的單方向磁阻感測器的電路接法切換，以在不同的時間區間內量測在第一、第三方向D1、D3上的磁場分量。
承圖9的架構，再一實施例的磁場感測裝置100c中，磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於第二區域R2(或第一區域R1)，而另一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於第四區域R4(或第三區域R3)，以分別構成兩個電路上獨立的惠司同電橋，以分別量測在第一、第三方向D1、D3上的磁場分量。
承圖9的架構，又一實施例的磁場感測裝置100c中，磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於第一區域R1，而另一部分的單方向磁阻感測器(未示出)可設置於第三區域R3，磁場感測元件100’的這些單方向磁阻感測器亦可跟分時切換電路130連接，分時切換電路130再切換這些單方向磁阻感測器之間的電路接法，而在不同的時間區間內形成用以量測在第一方向D1、第三方向D3的磁場分量的不同的惠司同電橋。
承圖9的架構，再一實施例的磁場感測裝置100c中，磁場感測裝置100c內的單方向磁阻感測器120可構成第一、第二惠司同電橋WH1、WH2，而磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器可設置於第二區域R2(或第一區域R1)，而另一部分的單方向磁阻感測器可設置於第四區域R4(或第三區域R3)，以構 成一個惠司同電橋，以量測在第三方向D3上的磁場分量。
圖10為本發明又一實施例的磁場感測裝置的上視簡要示意圖。
圖10的磁場感測裝置100d類似於圖9實施例的磁場感測裝置100c，其主要差異在於：磁場感測裝置100d包括如同圖1的磁場感測裝置100、磁場感測元件100’以及另一磁場感測元件100”。磁場感測元件100”包括多個單方向磁阻感測器120，並構成一惠司同電橋WH，且其內部的單方向磁阻感測器110的釘札方向PD與其易磁化軸FD之間的夾角為正、負45度。
承圖10的架構，在一實施例的磁場感測裝置100d中，磁場感測裝置100d內的單方向磁阻感測器110的電路接法可為第二惠司同電橋WH2，用以量測在第二方向D2上的磁場分量。磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器可設置於第二區域R2(或第一區域R1)，而另一部分的單方向磁阻感測器可設置於第四區域R4(或第三區域R3)，以構成一個惠司同電橋，以量測在第三方向D3上的磁場分量。
承圖10的架構，在另一實施例的磁場感測裝置100d中，磁場感測裝置100d內的單方向磁阻感測器110的電路接法可被分時切換電路切換成第二、第三惠司同電橋WH2、WH3，用以量測在第二、第三方向D2、D3上的磁場分量，而磁場感測元件100’的一部分的單方向磁阻感測器可設置於第二區域R2(或第一區域R1)，而另一部分的單方向磁阻感測器可設置於第四區域R4(或 第三區域R3)，以構成一個惠司同電橋，以量測在第一方向D1上的磁場分量。
綜上所述，在本發明實施例的磁場感測裝置中，由於這些單方向磁阻感測器的釘扎方向皆為同一方向，因此其製造過程簡單，成本較低且具有良好的穩定性。並且，磁場感測裝置中的分時切換電路可在不同的時間區間內將位於磁通集中器的這些角落旁的這些單方向磁阻感測器構成不同的惠司同電橋，以量測外在磁場在不同方向上的磁場分量。由於不同的惠司同電橋的線路會跨設磁通集中器本身，因此磁場感測裝置可具有較小的體積。
100:磁場感測裝置
110:磁通集中器
120:單方向磁阻感測器
1201~1204:第一至第四單方向磁阻感測器
130:分時切換電路
C、C1~C4:角落
D1~D3:方向
E:邊
E1~E4:第一至第四邊
ED:延伸方向
FD:易磁化軸
P1、P2:第一、第二部分
PD:釘札方向
RX:參考軸
S:基板
θ1、θ2:銳角

Claims (12)

  1. 一種磁場感測裝置，包括： 磁通集中器，具有多個角落； 多個單方向磁阻感測器，具有相同的釘扎方向，所述多個單方向磁阻感測器分別設置於所述多個角落旁，其中定義一平行於所述磁通集中器的一邊的一參考軸，所述多個單方向磁阻感測器的易磁化軸與所述參考軸夾有一第一銳角；以及 分時切換電路，與所述多個單方向磁阻感測器耦接，且所述分時切換電路在不同的時間區間內用以切換所述多個單方向磁阻感測器的之間的接點的至少一部分而改變所述多個單方向磁阻感測器之間的電路接法，以在不同的時間區間內形成不同的惠司同電橋以量測一外在磁場在不同方向上的磁場分量。
  2. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述磁通集中器包括多個邊，所述多個邊包括第一邊、第二邊、第三邊及第四邊，所述第一邊相對於所述第三邊，所述第二邊相對於所述第四邊，其中， 所述第一邊分別與所述第二邊及所述第四邊連接且分別構成所述多個角落中的第一角落、第二角落；以及 所述第三邊分別與所述第二邊及所述第四邊連接且分別構成所述多個角落中的第三角落、第四角落， 其中，所述第一角落與所述第四角落互為對角，所述第二角落與所述第三角落互為對角。
  3. 如請求項2所述的磁場感測裝置，其中所述多個單方向磁感測器分為第一部分與第二部分， 所述第一部分包括位於所述第一角落旁與所述第二角落旁的二所述單方向磁感測器，且其所有所述易磁化軸的軸向彼此平行； 所述第二部分包括位於所述第三角落旁與所述第四角落旁的二所述單方向磁感測器，且其所有所述易磁化軸的軸向彼此平行； 在所述第一部分中的所有所述易磁化軸的軸向為第一軸向， 在所述第二部分中的所有所述易磁化軸的軸向為第二軸向， 所述第一軸向不平行於所述第二軸向。
  4. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述多個單方向磁阻感測器的所述多個易磁化軸的軸向彼此平行。
  5. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述單方向磁阻感測器的所述易磁化軸的軸向為其延伸方向。
  6. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述銳角的範圍落在20度至70度的範圍內。
  7. 如請求項2所述的磁場感測裝置，其中， 在第一時間區間內， 所述分時切換電路將所述第一單方向磁感測器的一端連接於所述第三單方向磁阻感測器的一端，所述第一單方向磁感測器的另一端連接於所述第四單方向磁阻感測器的一端，並將所述第二單方向磁感測器的一端連接於所述第三單方向磁阻感測器的另一端，所述第二單方向磁感測器的另一端連接於所述第四單方向磁阻感測器的另一端，以形成第一惠司同電橋，所述第一惠司同電橋用以量測外在磁場在第一方向上的磁場分量。
  8. 如請求項2所述的磁場感測裝置，其中， 在第二時間區間內， 所述分時切換電路將所述第一單方向磁感測器的一端連接於所述第二單方向磁阻感測器的一端，所述第一單方向磁感測器的另一端連接於所述第四單方向磁阻感測器的一端，並將所述第三單方向磁感測器的一端連接於所述第二單方向磁阻感測器的另一端，所述第三單方向磁感測器的另一端連接於所述第四單方向磁阻感測器的另一端，以形成第二惠司同電橋，所述第二惠司同電橋用以量測外在磁場在第二方向上的磁場分量。
  9. 如請求項2所述的磁場感測裝置，其中， 在第三時間區間內， 所述分時切換電路將所述第一單方向磁感測器的一端連接於所述第二單方向磁阻感測器的一端，所述第一單方向磁感測器的另一端連接於所述第三單方向磁阻感測器的一端，並將所述第四單方向磁感測器的一端連接於所述第二單方向磁阻感測器的另一端，所述第四單方向磁感測器的另一端連接於所述第三單方向磁阻感測器的另一端，以形成第三惠司同電橋，所述第三惠司同電橋用以量測外在磁場在第三方向上的磁場分量。
  10. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述易磁化軸的軸向與所述釘扎方向夾有一第二銳角。
  11. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述易磁化軸的軸向與所述釘扎方向互為垂直。
  12. 如請求項1所述的磁場感測裝置，其中所述單方向磁阻感測器的種類包括巨磁阻感測器或穿隧磁阻感測器。
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