CN210142176U - 磁场感测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种磁场感测装置，包括基板、多个磁阻传感器以及多个磁化方向设定元件。基板具有表面。表面包括多个斜面与平面。这些磁阻传感器包括多个设置于多个斜面的第一磁阻传感器与设置于平面的多个第二磁阻传感器。这些第一磁阻传感器包括第一、第三部分，且构成第一惠斯通全桥。这些第二磁阻传感器包括第二、第四部分，且构成第二惠斯通全桥。这些磁化方向设定元件包括第一、第二磁化方向设定元件。第一磁化方向设定元件设置于第一、第二部分旁，并与第一、第二部分重叠设置。第二磁化方向设定元件设置于第三、第四部分旁，并与第三、第四部分重叠设置。本实用新型可通过较少的磁化方向设定元件使用数量，而具有简单电路设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种磁场感测装置。
背景技术
随着科技的发展，具有导航与定位功能的电子产品也越来越多样化。电子罗盘在车用导航、飞航以及个人手持式装置的应用领域中提供了相当于传统罗盘的功能。而为了实现电子罗盘的功能，磁场感测装置变成了必要的电子元件。
在一般的磁场感测装置中，通常会在惠斯通全桥旁设有对应的线圈，线圈用以重置(reset)/设定(set)全桥内的磁感测元件的磁场方向。倘若要量测三个不同方向的磁场分量，那么就需要三个线圈以及用以控制对应线圈的相关电路。由于手持式装置的发展趋势是往微型化的趋势发展，而现有磁场感测装置采用的线圈数量与电路较多，而此导致复杂的电路设计，不利于磁场感测装置的应用。因此，如何在一个较小的面积下制作出高效能且电路简单的磁场感测装置便成了本领域的技术人员所发展的方向之一。
实用新型内容
本实用新型提供一种磁场感测装置，其具有简单的电路设计以及高响应速度(Response speed)。
本实用新型的一实施例中提供了一种磁场感测装置，包括基板、多个磁阻传感器以及多个磁化方向设定元件。基板具有表面。表面包括多个斜面与平面。这些磁阻传感器包括多个设置于多个斜面的第一磁阻传感器与设置于平面的多个第二磁阻传感器。这些第一磁阻传感器包括第一部分与第三部分，且构成第一惠斯通全桥。这些第二磁阻传感器包括第二部分与第四部分，且构成第二惠斯通全桥。这些磁化方向设定元件包括第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件。第一磁化方向设定元件设置于第一部分与第二部分旁，并与第一部分与第二部分重叠设置。第二磁化方向设定元件设置于第三部分与第四部分旁，并与第三部分与第四部分重叠设置。
在本实用新型的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括电流产生器。电流产生器用以选择性地施加电流于所述多个磁化方向设定元件。
在本实用新型的一实施例中，上述的这些第一磁阻传感器两两之间构成多个第一电桥臂，且这些第一电桥臂分别设置于这些斜面上。
在本实用新型的一实施例中，上述的各第一电桥臂包括属于第一部分中的第一磁阻传感器与属于第三部分中的第一磁阻传感器。
在本实用新型的一实施例中，上述的这些第二磁阻传感器两两之间构成多个第二电桥臂，且这些第二电桥臂设置于平面上。
在本实用新型的一实施例中，上述的各第二电桥臂包括属于第二部分中的第二磁阻传感器与属于第四部分中的第二磁阻传感器。
在本实用新型的一实施例中，上述的这些磁阻传感器还包括多个第三磁阻传感器。这些第三磁阻传感器设置于平面上。这些磁化方向设定元件还包括第三磁化方向设定元件与第四磁化方向设定元件。这些第三磁阻传感器包括第五部分与第六部分，且构成第三惠斯同全桥。第三磁化方向设定元件设置于第五部分旁，并与第五部分重叠设置。第四磁化方向设定元件设置于第六部分旁，并与第六部分重叠设置。
在本实用新型的一实施例中，上述的这些第三磁阻传感器两两之间构成多个第三电桥臂，且这些磁化方向设定元件还包括第三磁化方向设定元件与第四磁化方向设定元件。第三磁化方向设定元件设置于第一部分与第二部分旁，并与第一部分与第二部分重叠设置。第四磁化方向设定元件设置于第三部分与第四部分旁，并与第三部分与第四部分重叠设置。
基于上述，在本实用新型实施例的磁场感测装置中，第一、第二磁化方向设定元件分别重叠设置于第一、第二惠斯通全桥的不同部分，因此第一、第二磁化方向设定元件可同时设定/重置(set/reset)两个惠斯通全桥内的磁阻传感器，因此磁场感测装置可通过较少的磁化方向设定元件使用数量，而具有简单电路设计。
为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本实用新型的一磁场感测装置的上视示意图。
图2是图1中剖面A-A’的剖面示意图。
图3A与图3B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。
附图标记说明：
100：磁场感测装置；
110：基板；
112：绝缘层；
120：磁阻传感器、异向性磁阻传感器；
122：第一磁阻传感器；
124：第二磁阻传感器；
126：第三磁阻传感器；
130：磁化方向设定元件；
132：第一磁化方向设定元件；
134：第二磁化方向设定元件；
136：第三磁化方向设定元件；
138：第四磁化方向设定元件；
140：电流产生器；
A-A’：剖面；
BS1：第一基底层；
BS2：第二基底层；
D：延伸方向；
FWB：惠斯通全桥；
FWB1～FWB3：第一惠斯通全桥～第三惠斯通全桥；
H：外在磁场；
M：磁化方向；
I：电流；
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轴；
Y：Y轴；
Z：Z轴。
具体实施方式
现将详细地参考本实用新型的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是本实用新型的一磁场感测装置的上视示意图。图2是图1中剖面A-A’的剖面示意图。图3A与图3B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。
请参照图1与图2，在本实施例中，磁场感测装置100包括基板110、多个磁阻传感器120、多个磁化方向设定元件130、电流产生器140。于以下的段落中会详细地说明以上元件。
在本实用新型的实施例中，基板110例如是包括空白的硅基板(blank silicon)、玻璃基板或具有集成电路(integrated-circuit)的硅基板，本实用新型不以此为限。请参照图2，基板110包括第一基底层BS1、绝缘层112、第二基底层BS2，其中绝缘层112位于第一、第二基底层BS1、BS2之间。绝缘层112的材料例如是二氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硅或者是其他具有绝缘功能的材料，本实用新型不以此为限。第二基底层BS2的表面S包括多个斜面IS与这些斜面IS相连的平面PS，其中斜面IS相对于平面PS倾斜，斜面IS数量例如为四个，但不以此为限。
在本实用新型实施例中所指的磁阻传感器120(以斜线表示其所在区域)是指其电阻可经由外在磁场变化而对应改变的传感器。磁阻传感器120可为异向性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)。参照图3A以及图3B，异向性磁阻传感器120例如是具有理发店招牌(barber pole)状结构，亦即其表面设有相对于异向性磁阻传感器120的延伸方向D倾斜45度延伸的多个短路棒(electrical shorting bar)SB，这些短路棒SB彼此相间隔且平行地设置于铁磁膜(ferromagnetic film)FF上，而铁磁膜FF为异向性磁阻传感器120的主体，其延伸方向即为异向性磁阻传感器120的延伸方向。异向性磁阻传感器120的感测方向SD垂直于延伸方向D。此外，铁磁膜FF的相对两端可制作成尖端状(tapered)。
在本实用新型的实施例中，磁化方向设定元件130(以点状表示其所在区域)可为通过通电而产生磁场的线圈、导线、金属片、导体中的任一者或其组合。磁化方向设定元件130的数量例如是四个，且分别称为第一至第四磁化方向设定元件132、134、136、138。
在本实用新型的实施例中，电流产生器140是指用以提供电流的电子元件。
为了要说明本实施例的磁场感测装置100的配置效果，于以下的段落先简介本实施例的磁场感测装置100量测磁场的基本原理。
异向性磁阻传感器120在开始量测外在磁场H之前，可先通过磁化方向设定元件130来设定其磁化方向。在图3A中，磁化方向设定元件130可通过通电产生沿着延伸方向D(或称长轴方向)的磁场，以使异向性磁阻传感器120具有磁化方向M。
接着，磁化方向设定元件130不通电，以使异向性磁阻传感器120开始量测外在磁场H。当没有外在磁场H时，异向性磁阻传感器120的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时电流产生器140可施加一电流I，使电流I从异向性磁阻传感器120的左端流往右端，则短路棒SB附近的电流I的流向会与短路棒SB的延伸方向垂直，而使得短路棒SB附近的电流I流向与磁化方向M夹45度，此时异向性磁阻传感器120的电阻值为R。
当有一外在磁场H朝向垂直于延伸方向D的方向时，异向性磁阻传感器120的磁化方向M会往外在磁场H的方向偏转，而使得磁化方向与短路棒附近的电流I流向的夹角大于45度，此时异向性磁阻传感器120的电阻值有-ΔR的变化，即成为R-ΔR，也就是电阻值变小，其中ΔR大于0。
然而，若如图3B所示，当图3B的短路棒SB的延伸方向设于与图3A的短路棒SB的延伸方向夹90度的方向时(此时图3B的短路棒SB的延伸方向仍与异向性磁阻传感器120的延伸方向D夹45度)，且当有一外在磁场H时，此外在磁场H仍会使磁化方向M往外在磁场H的方向偏转，此时磁化方向M与短路棒SB附近的电流I流向的夹角会小于45度，如此异向性磁阻传感器120的电阻值会变成R+ΔR，亦即异向性磁阻传感器120的电阻值变大。
此外，通过磁化方向设定元件130将异向性磁阻传感器120的磁化方向M设定为图3A所示的反向时，之后在外在磁场H下的图3A的异向性磁阻传感器120的电阻值会变成R+ΔR。再者，通过磁化方向设定元件130将异向性磁阻传感器120的磁化方向M设定为图3B所示的反向时，之后在外在磁场H下的图3B的异向性磁阻传感器120的电阻值会变成R-ΔR。
因此，所属技术领域中的技术人员可依据这些磁阻传感器120并搭配惠斯通全桥的电路设计，以对应量测到外在磁场H在不同方向上的磁场分量信号。
由上述可知，要测量外在磁场H之前，需要通过磁化方向设定元件130对磁阻传感器120设定磁化方向。于以下的段落中会详细地说明本实施例在配置上的效果。
于以下的段落中会详细地说明本实施例的磁场感测装置100中的各元件配置方式。
请参照图1与图2，于本实施例中，这些磁阻传感器120分别构成三个惠斯通全桥FWB，且分别称为第一、第二、第三惠斯通全桥FWB1、FWB2、FWB3。依据不同惠斯通全桥FWB1～FWB3的归属关系，这些磁阻传感器120可被分为多个第一磁阻传感器122、多个第二磁阻传感器124与多个第三磁阻传感器126，其中这些第一磁阻传感器122用以构成第一惠斯通全桥FWB1，这些第二磁阻传感器124用以构成第二惠斯通全桥FWB2，且这些第三磁阻传感器126构成第三惠斯通全桥FWB3。这些第一、第二磁阻传感器122、124在X轴方向上排列，在Y轴方向上延伸。这些第三磁阻传感器126在Y轴方向上排列，在X轴方向上延伸。这些第一磁阻传感器122设置于多个斜面IS上，而这些第二、第三磁阻传感器124、126则分别设置于平面PS不同处。具体来说，这些第二磁阻传感器124设置于这些第一磁阻传感器122的右方，而这些第三磁阻传感器126设置于这些第一磁阻传感器122的下方。也就是说，磁场感测装置100包括一个在斜面IS的第一惠斯通全桥FWB1与两个在平面PS的第二、第三惠斯通全桥FWB2、FWB3。
详细来说，依据磁化方向设定方式的不同，这些第一磁阻传感器122还包括第一、第三部分P1、P3。这些第二磁阻传感器124还包括第二、第四部分P2、P4。这些第三磁阻传感器126还包括第五、第六部分P5、P6。于以下的段落会分段叙述磁阻传感器120、磁化方向设定元件130、惠斯通全桥FWB之间的设置关系。
第一磁化方向设定元件132设置于第一、第二部分P1、P2旁(例如是下方，但不以此为限)，且与第一、第二部分P1、P2重叠设置。也就是说，第一磁化方向设定元件132重叠设置于属于第一惠斯通全桥FWB1的第一部分P1与属于第二惠斯通全桥FWB2的第二部分P2。
第二磁化方向设定元件134设置于第三、第四部分P3、P4旁(未示出，例如是下方，但不以此为限)，且与第三、第四部分P3、P4重叠设置。也就是说，第二磁化方向设定元件134重叠设置于属于第一惠斯通全桥FWB1的第三部分P3与属于第二惠斯通全桥FWB2的第四部分P4。
第三、第四磁化方向设定元件136、138则分别设置于第五、第六部分P5、P6旁(未示出，例如是下方，但不以此为限)。也就是说，第三、第四磁化方向设定元件136、138重叠设置于属于同一个第三惠斯通全桥FWB3的不同部分P5、P6。
在第一惠斯通全桥FWB1中，这些第一磁阻传感器122两两之间构成多个第一电桥臂ARM1(例如是四个，于图1中仅以1个标号示出)。这些第一电桥臂ARM1分别设置于这些斜面IS上。各第一电桥臂ARM1包括属于第一部分P1中的第一磁阻传感器122与属于第三部分P3中的第一磁阻传感器122。并对照图1，由另一观点观之，各第一电桥臂ARM1与第一、第二磁化方向设定元件132、134重叠设置。
在第二惠斯通全桥FWB2中，这些第二磁阻传感器124两两之间构成多个第二电桥臂ARM2(例如是四个，于图1中仅以1个标号示出)。这些第二电桥臂ARM2分别设置于这些平面PS上。各第二电桥臂ARM2包括属于第二部分P2中的第二磁阻传感器124与属于第四部分P4中的第二磁阻传感器124。并对照图1，由另一观点观之，各第二电桥臂ARM2与第一、第二磁化方向设定元件132、134重叠设置。
在第三惠斯通全桥FWB3中，这些第三磁阻传感器126两两之间构成多个第三电桥臂ARM3(例如是四个，于图1中仅以1个标号示出)。这些第三电桥臂ARM3分别设置于这些平面PS上，且不同于这些第二电桥臂ARM2的位置。各第三电桥臂ARM3包括属于第五部分P5中的第三磁阻传感器126与属于第六部分P6中的第三磁阻传感器126。并对照图1，由另一观点观之，各第三电桥臂ARM3与第三、第四磁化方向设定元件136、138重叠设置。
电流产生器140还与上述多个磁化方向设定元件130耦接，且用以选择性地施加电流I至这些磁化方向设定元件130。电流产生器140通过导线与第一、第二磁化方向设定元件132、134耦接，以构成一S型回路。电流产生器140亦通过导线与第三、第四磁化方向设定元件136、138耦接，以构成另一S型回路。
通过上述的配置，电流产生器140可分别提供第一、第二磁化方向设定元件132、134往正X轴方向与负X轴方向的电流I，且电流产生器140可分别提供第三、第四磁化方向设定元件136、138往正Y轴方向与往负Y轴方向的电流I。换言之，电流产生器140所提供的电流I在第一、第二磁化方向设定元件132、134内的电流流向互为反平行(Anti-parallel)，电流I所产生的这些设定磁场Hm彼此亦互为反平行。第三、第四磁化方向设定元件136、138亦类似于第一、第二磁化方向设定元件132、134，只是电流流向与设定磁场Hm的方向不同于第一、第二磁化方向设定元件132、134，于此不再赘述。
此外，于图1的第一、第二磁场方向设定元件132、134中，电流I的流向分别是正X轴方向与负X轴方向。磁场感测装置100亦可以包括切换电路(未示出)，且切换电路与电流产生器140、上述这些磁化方向设定元件130耦接，并提供了电流路径切换功能，以使在第一、第二磁场方向设定元件132、134中的电流I流向分别调整为负X轴方向与正X轴方向。藉此，以更改设定磁场Hm的方向，进而设定/重置各磁阻传感器120的磁化方向。类似地，切换电路亦可以对第三、第四磁场方向设定元件136、138内的电流I流向分别调整为负Y轴方向与正Y轴方向，以更改设定磁场Hm的方向。
据此，在磁场感测装置100检测外在磁场之前，所属技术领域中的技术人员可以对这些第一、第二、第三惠斯通全桥FWB1、FWB2、FWB3内的磁阻传感器120设定/重置其磁化方向，接着并进一步将磁场感测装置100放置于外在磁场中，并依据第一惠斯通全桥FWB1响应外在磁场而输出的电信号而量测到在Z轴方向上的磁场分量，并依据第二惠斯通全桥FWB2响应外在磁场所输出的电信号而量测到在X轴方向上的磁场分量，并依据第三惠斯通全桥FWB3响应外在磁场所输出的电信号而量测到在Y轴方向上的磁场分量。据此，本实施例的磁场感测装置100可以量测三轴方向上的磁场分量。
应注意的是，于上述的实施例中，磁场感测装置100具有三个惠斯通全桥FWB1～FWB3，而可检测三轴方向上的磁场分量。于其他的实施例中，磁场感测装置亦可以具有第一、第二惠斯通全桥FWB1、FWB2而不具有惠斯通全桥FWB3，即而可检测两轴方向上的磁场分量，本实用新型并不以此为限。
综上所述，在本实用新型实施例的磁场感测装置中，多个第一磁阻传感器包括第一、第三部分且构成第一惠斯通全桥，多个第二磁阻传感器包括第二、第四部分且构成第二惠斯通全桥。第一磁化方向设定元件设置于属于第一惠斯通全桥的第一部分以及属于第二惠斯通全桥的第二部分旁并与第一、第二部分重叠设置，第二磁化方向设定元件设置于属于第一惠斯通全桥的第三部分以及属于第二惠斯通全桥的第四部分旁并与第三、第四部分重叠设置。磁场感测装置可通过第一、第二磁化方向设定元件同时对两个惠斯通全桥内的磁阻传感器设定/重置其磁化方向，因此可减少使用磁化方向设定元件的数量，而具有较简单的电路设计。并且，由于第一、第二磁化方向设定元件可同时设定/重置第一、第二惠斯通全桥内的第一、第二磁阻传感器，因此磁场感测装置具有较快的响应速度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种磁场感测装置，其特征在于，包括：
基板，具有表面，所述表面包括多个斜面与平面；
多个磁阻传感器，包括设置于所述多个斜面的多个第一磁阻传感器以及设置于所述平面的多个第二磁阻传感器，其中，
所述多个第一磁阻传感器包括第一部分与第三部分，且构成第一惠斯通全桥，
所述多个第二磁阻传感器包括第二部分与第四部分，且构成第二惠斯通全桥；以及
多个磁化方向设定元件，包括第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件，
其中，
所述第一磁化方向设定元件设置于所述第一部分与所述第二部分旁，并与所述第一部分与所述第二部分重叠设置；
所述第二磁化方向设定元件设置于所述第三部分与所述第四部分旁，并与所述第三部分与所述第四部分重叠设置。
2.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括电流产生器，用以选择性地施加电流于所述多个磁化方向设定元件。
3.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁阻传感器两两之间构成多个第一电桥臂，且所述多个第一电桥臂分别设置于所述多个斜面上。
4.根据权利要求3所述的磁场感测装置，其特征在于，
各所述第一电桥臂包括属于所述第一部分中的第一磁阻传感器与属于所述第三部分中的第一磁阻传感器。
5.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第二磁阻传感器两两之间构成多个第二电桥臂，且所述多个第二电桥臂设置于所述平面上。
6.根据权利要求5所述的磁场感测装置，其特征在于，各所述第二电桥臂包括属于所述第二部分中的第二磁阻传感器与属于所述第四部分中的第二磁阻传感器。
7.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个磁阻传感器还包括多个第三磁阻传感器，所述多个第三磁阻传感器设置于所述平面上，
所述多个磁化方向设定元件还包括第三磁化方向设定元件与第四磁化方向设定元件，
其中，所述多个第三磁阻传感器包括第五部分与第六部分，且构成第三惠斯同全桥，
其中，
所述第三磁化方向设定元件设置于所述第五部分旁，并与所述第五部分重叠设置；
所述第四磁化方向设定元件设置于所述第六部分旁，并与所述第六部分重叠设置。
8.根据权利要求7所述的磁场感测装置，其特征在于，
所述多个第三磁阻传感器两两之间构成多个第三电桥臂，且所述多个磁化方向设定元件还包括第三磁化方向设定元件与第四磁化方向设定元件，
所述第三磁化方向设定元件设置于所述第一部分与所述第二部分旁，并与所述第一部分与所述第二部分重叠设置，
所述第四磁化方向设定元件设置于所述第三部分与所述第四部分旁，并与所述第三部分与所述第四部分重叠设置。
9.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述磁阻传感器的种类为异相性磁阻传感器。
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