TW544525B - Sensor for the detection of the direction of a magnetic field - Google Patents

Description

544525 五、發明説明（1 ) 本發明係關於一種用於偵測在申請專利範圍第1項之前 言中所謂的磁場型式之方向之感測器。 此種感測器可作爲一角度感測器，用於控制具有定子線 圈之無電刷電動機。電動機之轉子具有一永久磁鐵，此一 永久磁鐵與感測器結合而產生依據旋轉角度之信號，用於 線圈之相位相容控制。此種配置係自歐洲專利申請EP 9 54 058得知。具有數臂之垂直霍耳效應元件做爲感測器 ，其中根據永久磁鐵之旋轉位置之霍耳電壓在每一臂中產 生。霍耳電壓係用來控制電動機之線圈，垂直霍耳效應元 件對由永久磁鐵產生之磁場之成份敏感，永久磁鐵與晶片 表面平行，缺點是由於垂直霍耳效應元件係根據一特別的 半導體技術，它不能與在同一晶片上之處理電子一同實 現。 水平霍耳效應元件之使用亦爲已知，水平霍耳效應元件 對由垂直撞擊晶片表面之永久磁鐵所產生之磁場之成份敏 感。霍耳效應元件可與在同一晶片上之處理電子成爲積體 型式。然而，這個方法有一缺點，即是霍耳效應元件必須 設置在磁場之垂直成份爲最大之永久磁鐵之邊緣區域。在 旋轉軸之區域中，垂直成份很小，霍耳效應元件之置放係 根據永久磁鐵之尺寸。假若永久磁鐵很大，則將霍耳效應 元件積體至單一半導體晶片是不經濟的。 具有根據磁致電阻效應之磁場感測元件之角度感測器自 歐洲專利申請EP 893668爲已知。爲了將可測量之角度範圍增 加至超過180° ，有一額外的霍耳效應元件。然而，霍耳 544525 五、發明説明（2 ) 效應元件必須放置在與磁場感測器元件不同的位置，使得 磁場感測器元件能夠測量旋轉永久磁鐵之磁場之水平成份 ，而霍耳效應元件能夠測量磁場之垂直成份。此外，根據 磁致效應之感測器顯示磁致效應而限制了解析度。 磁場感測器係自歐洲專利申請EP 772 046得知。此磁場 感測器對與晶片表面平行之磁場敏感，且可與在半導體晶 片上之電子一起實現。然而對於此種磁場感測器，只能測 量磁場之一成份。 發明槪沭 本發明之一目的係建議一種不再具有開始描述之缺點之 感測器。 本發明包含申請專利範圍第1項所提供之特徵。有益的 配置自依附項產生。 根據本發明之第一觀點，.一種用於偵測磁場方向之感測 器包含具有一扁平狀之單一磁場集中器及至少一第一霍耳 效應元件及一第二霍耳效應元件或至少一第一組及第二組 霍耳效應元件，其中，霍耳效應元件係設置在磁場集中器 之邊緣區，扁平狀磁場集中器必須影響外部磁場以穿透（ 以最佳方式）霍耳效應元件。 霍耳效應元件可以是所謂水平霍耳效應元件或是垂直霍 耳效應元件，水平霍耳效應元件對垂直撞擊其表面之磁場 成份敏感，而垂直霍耳效應元件則是對與其表面平行之磁 &成份敏感。因此’水平霍耳效應元件必須放置在磁場 集中益下方’而垂直霍耳效應元件則必須放置在邊緣旁 544525 五、發明説明（3 ) 之區域，在磁場集中器之外。 根據本發明之另一觀點，一種用於偵測磁場方向之感測 器包含至少三個磁場集中器，在一平面上相對於一對稱點 對稱排列，磁場集中器在對稱點之區域具有彼此面對並平 行之邊緣，且對每一磁場集中器具有一霍耳效應元件或一 組霍耳效應元件，因此霍耳效應元件係設置在各個磁場集 中器之平行邊緣區。 以下，本發明之實施例將參考圖式做更詳盡的說明。 圖式之簡單說明 弟1圖顯不根據本發明具有水平霍耳效應兀件之感測器 之第一範例； 第2圖爲沿第1圖之線I - I之感測器橫切面； 第3圖爲根據本發明之感測器之第二範例； 第4圖爲感測器之詳細資料； 第5及6圖爲根據本發明具有垂直霍耳效應元件之感測 器之一範例； 第7a及b圖爲根據本發明之感測器，由此可以3D決定 一外磁場之方向；及 第8至1 1圖爲根據本發明之其他感測器。 較佳實施例之說明 第1圖顯示根據本發明之感測器之平面圖，其可做爲一 角度感測器，用於控制具有三個線圈之無電刷電動機β感 測器包含一半導體晶片1，具有六個水平霍耳效應元件2 . 1 至2 · 6及一單一磁場集中器3。在此範例中，磁場集中器3 544525 五、發明説明（4 ) 爲碟狀’而六個霍耳效應元件2係以相等距離分散在磁場 集中器3之邊緣4上。 霍耳效應元件2 . 1至2 . 6係以一般技術實現，最好是 CMOS技術’如η丨爹雑井6 (第2圖）在p摻雜基片7 (第2圖） 中。水平霍耳效應元件對垂直撞擊半導體晶片1之表面8 之磁場成份敏感。在此範例中，霍耳效應元件2 . 1至2 . 6 具有交叉形結構’最好能與1 〇〇晶軸平行，使得變化之機 械應力對霍耳信號之影響盡可能的小。 磁場集中器3包含鐵磁材料，最好是玻莫合金或"合 金或金屬玻璃’其可以1 5 // m至3 0 // m厚之帶獲得。最好 是具有低矯頑場強度之金屬玻璃，所以沒有磁滯效應發生 。再者，他們的磁化爲各向同性的。 磁場集中器3在平面9中延伸，並具有扁平的形狀，即 是，其厚度較其在平面中的延伸短。磁場集中器3最好是 有均勻厚度。然後，其中央可較邊緣厚。因此，磁場集中 器3爲在平面9中之磁場成份之集中器。磁場集中器3之 功能將根據第2圖被詳盡解釋。在此範例中，磁場集中器3 具有一對稱中心5，爲旋轉型對稱。 第2圖顯示感測器沿第1圖之線I -1之切面及產生磁場 之永久磁鐵1 0，永久磁鐵1 〇係安裝於具有三個線圈之無電 刷電動機1 2之旋轉軸1 1上。在其環境裡面，磁場集中器3 改變磁場之場線1 3之方向，特別是，在缺乏磁場集中器3 時，場線會與半導體晶片1之表面8平行，穿透幾乎與表 -6- 544525 五、發明説明（5 ) 面8垂直地霍耳效應元件2 . 1 ◦磁場集中器3之材料之相對 磁透率大於1 000，而空氣及半導體基質7之相對磁透率爲 1左右。因此’場線與磁場集中器3之表面垂直。霍耳效應 元件2 . 1至2 · 6係設置在磁場集中器3之橫向邊緣4區， 因爲在該處磁場的垂直成份最大。

以對稱中心5 (第1圖）爲中心而相對約霍耳效應元件形成 一組，以便產生一輸出信號，因此，霍耳效應元件之霍耳 電壓自其他霍耳效應元件之霍耳電壓減去。因爲場線穿透 兩個在相對垂直方向上之一組霍耳效應元件，由磁場之重 新指向所產生的電壓累積，而由於垂直穿透霍耳效應元件 之外部磁場干擾而產生之霍耳電壓互相抵消。再者，依據 技術之偏移電壓最少被補償部份。霍耳效應元件2 . 1及2 . 4 一同產生輸出信號S!，霍耳效應元件2.2及2.5產生輸出 信號S2，而霍耳效應元件2 · 3及2 . 6產生輸出信號S3。輸 出信號S!，S2及心之強度係根據在平面9中磁場之方向。 當永久fe鐵1 0繞著旋轉軸1 1旋轉時，磁場亦隨之旋轉 並產生相位互相偏移1 20。之正弦輸出信號s!，S2及S;。輸 出is號SI在永久磁鐵之磁場方向與連接霍耳效應元件2 .丄 及2.4之軸平行時最大，而輸出信號S2係在永久磁鐵丨〇之 磁場方向與連接霍耳效應元件2 · 3及2 · 5之軸平行時最 大。如歐洲專利申請EP954085所描述者，輸出信號s!，S2 及S3可用來控制電動機丨2之三個線圈。 然而’輸出信號S!，及S;可在電動機1 2靜止時用來決 疋旋轉軸11之旋轉鱸（/)。重要的是，沒有信號疊加在不是 -7- 544525

五、發明説明（6 ) 從永久磁鐵1 〇之磁場發出之輸出信號义，S2及L上。具有 各別霍耳效應元件組之範例特別適合，因爲外部干擾場之 影響被去除且依據技術之偏移電壓大部份被補償。依據技 術之偏移電壓可在包含二或更多個霍耳效應元件之霍耳效 應/C件組（取代個別霍耳效應元件2 . 1至2 · 6 )被使用時更進 一步地減少，因而’電流方向在一組中之各個霍耳效應元 件不同。 此種範例係示於第3圖，其中有四組，每一組具有兩個 霍耳效應兀件2 . 1至2 · 8。直徑相對組之霍耳效應元件成組 ’使感測器輸出兩個輸出信號S 1及S 2 ◦這意味著輸出信 號Si係自霍耳效應元件2.1，2.2，2.5及2.6之霍耳電壓 形成，而輸出信號S2係自霍耳效應元件2 . 3，2 · 4，2 . 7及 2.8之霍耳電壓形成。在第3圖中，霍耳效應元件爲交叉 型’而每一個霍耳效應元件被設有一箭頭，其顯示在霍耳 效應兀件中之電流方向。在這個範例中，磁場集中器3亦 具有父叉型結構，其相對於上一範例中之圓形結構在霍耳 效應兀件的位置上造成更局之磁場密集度。這個感測器適 用於控制具有兩個線圈之電動機1 2。如有需要，能夠以旋 轉角度Φ之函數來儲存輸出信號Si及S2之値。因爲輸出信 痛s!及s2之相位偏移，旋轉角度0可依據輸出信號Si及S2 而輕易及獨一地被決定。 第4圖顯示具有兩個積體之霍耳效應元件2 .丨及2.4 (及 圓开:^&^場集中器3)之半導體晶片1，霍耳效應元件2.1及 2 . 4在平面中對於旋轉軸1 1 (參見第丨圖）爲直徑相對。在 544525 五、發明説明（7 ) 兩個霍耳效應元件2.1及2·4之區中，由永久磁鐵丨0(第2 圖）產生之場之強度及方向由垂直箭頭表示。將磁場集中器 3移出正X方向中之理想位置會使霍耳效應元件2.1之霍耳 電壓減少及使霍耳效應元件2 . 4之霍耳電壓增加◦最好的 是’磁場集中器3之直徑適應於兩個霍耳效應元件2 .丨及 2 . 4之間之距離，使得，在磁場集中器3之理想定位下（相 對於兩個霍耳效應元件2 ·丨及2 · 4 )，兩個霍耳效應元件 2 . 1及2.4並不位在磁場強度最大之區中：霍耳效應元件 2 · 1及2 · 4可以是靠近中心，如第4圖所示，或遠離中心。 因此’磁場集中器3對於兩個霍耳效應元件2 ·丨及2.4之 位置變化的影響被最小化。 假使感測器只用來控制電動機，因此電動機在靜止時之 旋轉角度並不重要，則能得到霍耳效應元件組之一元件是 足夠的。在第一實施例中，這些爲霍耳效應元件2 . 1，2 . 2 及 2.3。 除了圓形磁場集中器以外，亦可使用不同形狀的磁場集 中器’例如多角形。特別是，爲了微影蝕刻的原故，可以 多角形來達到近乎圓形。同樣的霍耳效應元件之數目亦可 增加。 第5圖顯示具有垂直霍耳效應元件2之實施例，垂直霍 耳效應元件對穿透平行於半導體晶片1之表面8之霍耳效 應元件之磁場成份敏感◦能夠與電子一體成型之垂直霍耳 效應元件係描述於美國專利US 5 572058。垂直霍耳效應元 件2對磁場集中器3之邊緣切線。他們位於磁場集中器3 -9- 544525 五、發明説明（8 ) 之邊緣4之區，然而並不在磁場集中器3之下方，如同對 水平霍耳效應元件一般，而是橫向偏移在磁場集中器3之 外個J ’該處與半導體晶片1之表面8平行之磁場線1 3 (第2 圖）最大。 在第6圖中，箭頭顯示在垂直霍耳效應元件2之區中之 磁場之平行埸線1 3 (第2圖）之強度，因此，箭頭之長度與 磁場之強度成正比。 此方法相較於習知技術之方法下之益處如下： a)霍耳效應元件相對於永久磁鐵之位置並不重要，因爲 霍耳效應元件並不需要放置在永久磁鐵之邊緣區中，在該 處’磁場之垂直成份最大，而是被放置在水平成份爲最大 之旋轉軸區中，使得霍耳效應元件與之一體成形之半導體 晶片之置放可獨立於永久磁鐵之邊緣位置而發生。 b )磁場集中器額外放大在霍耳效應元件之區中之磁場， c )霍耳效應元件及處理電子可一體成形於相同的半導體 晶片，及 d )在一般處理容限內之磁場集中器自其設定位置之偏移 對產生之信號幾乎沒有影響。 在此描述的感測器亦適用於在歐洲專利申請EP 893668 中描述之應用之角度感測器。 第7a圖顯示根據本發明之感測器之第三範例，在此，磁 場集中器3爲環形。這使得另一水平霍耳效應元件2，能被 置放在環中心’而垂直撞擊在霍耳效應元件2，之磁場成份 可被測量。這樣的感測器適用於控制台，因爲它可決定外 -10- 544525 五、發明説明（9 ) 部磁場在3D中的方向。 因爲磁場集中器3非常薄，所以並不影響垂直撞擊霍耳 效應元件2，之磁場成份。在第7b圖中之感測器亦能決定外 部磁場在3D中的方向。然而，在此，有-危險。即是’垂 直成份疊加在水平成份。因爲，首先，磁場集中益3放大 水平成份。 應注意的是，根據第7a圖之範例，磁場集中器3亦可做 爲磁場垂直成份之集中器，即是當鐵磁環之寬度能與及厚 度比較時。從兩個霍耳效應元件2 . 1及2 . 3之信號和或兩 個霍耳效應元件2 · 2及2.4之信號和，可以得到與磁場之 垂直成份成正比之信號，然而從差動來看，如上顯示’可 以決定磁場之水平成份。因此，霍耳效應元件2 '可被略 過。 各別的霍耳效應元件所需要的面積很小，約爲數十乘以 數十微米。圓形磁場集中器之直徑約爲〇 . 2mm至0 . 5mm。在 理想情況下，磁場集中器之直徑少於永久磁鐵之直徑，永 久fei;鐵之直徑約爲1 . 3 m m或更多。 在20mT以上，外部磁場典型地導致在磁場集中器中之飽 和效應。當永久磁鐵與感測器之間的設定距離被選擇成使 磁場集中器至少爲部份磁飽和時，有一優點，即是輸出信 號S1 ’ S2等等並不依據或是極小的依據感測器之永久磁鐵 之距離振動。 亦能將霍耳元件效應操作成脈衝產生器，因此旋轉永久 磁鐵在每一旋轉時產生與可用霍耳效應元件一樣多之脈 -11- 544525 五、發明説明（1G ) 衝。 第8圖顯示具有三個磁場集中器丨8 . 1 ’ 1 8 · 2及1 8 · 3之 角度感測器，與第一範例之感測器一樣，而永久磁鐵做爲 一角度定義元件，適用於角度感測器用於控制具有三個線 圈之電動機。磁場集中器1 8 . 1，1 8 · 1，1 8 . 2及1 8 · 3相對 於對稱點1 9，對稱地排列，即是1 20 °的旋轉對稱。水平 霍耳效應元件2 . 1，2 . 2或2 . 3係位於面對對稱點1 9之每 個磁場集中器之邊緣4之區。磁場集中器之邊緣4被分成 兩區。一爲內部區，在此處，磁場集中器丨8 . 1，1 8 . 2及 1 8 . 3之對面邊限20互相平行，使得磁場線之密度在兩個邊 限2 0之間之間隔中盡可能地均勻。而避免尖峰之飽和。一 爲外部區，在此處，在鄰邊磁場集中益間之距離很大以避 免此處之磁場短路。磁場集中器1 8 · 1，1 8 . 2及1 8 . 3之外 部邊緣2 1儘可能地延伸過大角度區，以便在霍耳效應元件 2 . 1，2 . 2及2 . 3之區中儘可能有效率的集中外部磁場，並 避免飽和尖峰，飽和尖峰影響信號對角度的依賴。在這個 範例中，每一個霍耳效應元件2 . 1，2 . 2及2 . 3傳送一輸出 信號Si，S2及S3。 取代各別的霍耳效應元件2 · 1，2 · 2及2 . 3，亦可預見霍 耳效應元件組，在他們中間，偏移已校正。 第9及1 〇圖顯示具有四個磁場集中器1 8 · 1至1 8.4之兩 個感測器，而磁場方向可在二維空間中決定。在此，對於 對稱點1 9爲直徑相對的兩個霍耳效應元件被鍋合爲-組。 霍耳效應元件2 . 1及2 . 3產生輸出信號，霍耳效應元件 2 · 2及2 · 4產生輸出信號S2。從輸出信號Sl及S2，在感測 544525 五、發明説明（11) 器之平面9中之磁場方向可被決定。 對於第8及1 0圖中之感測器而言，磁場集中器不需成爲 扁平。他們可在邊緣處較厚，或者可耦合至額外的外部磁 場集中器，以便在霍耳效應元件區中儘可能有效率的集中 磁場。 第1 1圖顯示具有三個磁場集中器1 8 . 1，1 8 . 2及1 8 . 3及 三個垂直霍耳效應元件2 . 1，2 . 2，2 . 3之實施例，每一個 垂直霍耳效應元件係放置在互鄰磁場集中器1 8 . 1，1 8 . 2， 1 8 . 3之平行邊限20之間之中心。 雖然本發明之實施例及應用已被顯示及描述，但是，對 於熟悉本技藝之人士而言，各種變化例可在不偏離本發明 之申請專利範圍內實現。 符號之說明 1.....半導體晶片 2,2 . 1 - 2 . 8 ....霍耳效應元件 3 .....磁場集中器 4 .....邊緣 5 .....對稱中心 6 .....井 7 .....基質 8 .....表面 9 .....平^面 1 0 ....永久磁鐵 1 1 ....旋轉軸 -13- 544525 五、發明説明（12) 1 2 ....電動機 13....場線 1 4 - 1 7 ....霍耳效應元件組 1 8 . 1 - 1 8 . 4 ....磁場集中器 1 9 ....對稱點 2 0 ....邊緣 2 1 ....外部邊緣 4 ....旋轉角度 -14-

Claims (1)

1. 544525 92. 年 ο 〇·' h^· » *’ 月曰 修止補充 六、申請專利耗圍 第9 0 1 1 887 1號「用於磁場方向偵測之感測器」專利案 (9 2年2月修正） 六、申請專利範圍： 1. 一種用於磁場方向偵測之感測器，包含·’ 一具有實質延伸於第一平面中之大致扁平形狀之 一磁場集中器（3 )， 一第一霍耳效應元件（2 · 1 )或第一組（1 4)霍耳效應 元件，用於測量該第一平面中之磁場的第一成分，及 一第二霍耳效應元件（2 . 2 )第二組（1 5 )霍耳效應元件 ，用於測量該第一平面中之磁場的第二成分，其中該 等霍耳效應兀件係定位靠近於實質平行於該第一平面 之第二平面中之磁場集中器（3)之周邊邊緣（4)。 2.如申請專利範圍第丨項之感測器，其中磁場集中器 (3)具有對稱中心（5)，且—第三霍耳效應元件（24) 及一第四霍耳效應元件（2·5)或一第三組U6)或第四 組（17 )霍耳效應元件存在，因此，霍耳效應元件係 設置在磁場集中器（3)之邊緣（4)區中，且第一霍耳 效應元件（2 · 1 )及第三霍耳效應元件（2 . 4 )或第一組 U4)霍耳效應元件及第三組（16)霍耳效應元件係相 對於對稱中心(5)設置成對稱，m第二霍耳效應元件 (2. 2)及第四霍耳效應元件 ^ ’一义弟一過（1 5 )霍耳 效應兀件及第四組（丨7 )霍耳效_ _ 兀忤相封於對稱中 心（5 )設置成對稱。 544525 六、申請專利範圍

   3.如甲諝専利 件（2) 、 … ，、1 a 1从聰兀 一 ·· ，W儿丨丁以）係設 置在磁場集中器（3)之邊緣（4)側上，面對磁場集中 器（3 )之中心。 爲水平霍耳效應元件，霍耳效應元件（2)係設 灶+旦隹山cm .. 4·如申請專利範圍第2項之感測器，其中霍耳效應元 件（2)爲水平霍耳效應元件，霍耳效應元件（2)係設

   置在磁場集中器（3 )之邊緣（4 )側上，面對磁場集中 器（3 )之中心。 5·如申請專利範圍第1項之感測器，其中霍耳效應元 件（2 )爲垂直霍耳效應元件，且霍耳效應元件（2 )係 設置在磁場集中器（3 )之外側。 6·如申請專利範圍第2項之感測器，其中霍耳效應元 件（2)爲垂直霍耳效應元件，且霍耳效應元件（2)係 設置在磁場集中器（3 )之外側。 7. —種用於偵測磁場方向之感測器，包含：

   至少三個大致扁平形狀之磁場集中器（1 8 . 1，1 8 . 2 ，18.3 ; 18.1，18.2，18.3，18.4)，相對於對稱點 (19)在一平面中對稱設置’各磁場集中器具有一邊 緣，面向鄰接之磁場集中器之邊緣，其中各相面向 之邊緣的一部分係實質地相互平行；以及 具有各磁場集中器（丨8·1，18·2’ H 18.1， 18.2，18.3 ’ 18.4) —霍耳效應元件（2.1，2·2，2.3 ;2.1，2.2，2.3，2.4)或相關於該處之一組霍 544525 d2. 年 2β2ί:修函補无 六、申請專利範圍 耳效應元件，其中霍耳效應元件係設置靠近該邊緣 之該部分。 8·如申請專利範圍第7項之感測器，其中霍耳效應元 件（2.1，2.2，2.3; 2.1，2.2，2.3，2.4)爲水平霍 耳效應元件。 9·如申請專利範圍第7項之感測器，其中霍耳效應元 件（2 . 1 ’ 2 · 2，2 . 3 )爲垂直霍耳效應元件。 10·如申請專利範圍第丨至9項中任一項之感測器，其 中磁場集中器或集中器（3; 18.1，18.2，18.3)係由 金屬玻璃製成。 11·如申請專利範圍第1至9項中任一項之感測器，其 係當做角度感測器，用於決定可在旋轉軸（1 1 )四周 旋轉之物件之旋轉位置，因此，一永久磁鐵（1 〇 )係 緊鎖於旋轉軸（1 1 )上，其中在感測器及永久磁鐵（丨〇 ) 之間之距離被選擇成使得磁場集中器（3 )係至少部份 磁飽和化/ 12·如申請專利範圍第1至9項中任一項之感測器，其 係當做角度感測器，用於決定可在旋轉軸（1 1 )四周 旋轉之物件之旋轉位置，因此，一永久磁鐵（1 〇 )係 緊鎖於旋轉軸（1 1 )上，其中磁場集中器（3 ; 1 8.1， 18.2，18.3)係由金屬玻璃製成且在感測器及永久磁 鐵（1 0 )之間的距離被選擇成使得磁場集中器（3 )至少 部份磁飽和化。