TWI665460B

TWI665460B - 磁場感測元件以及磁場感測裝置

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Publication number: TWI665460B
Application number: TW107124626A
Authority: TW
Inventors: 袁輔德; 賴孟煌
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2019-07-11
Also published as: CN109270474A; CN109270474B; TW201908760A; US10877107B2; US20190018072A1

Abstract

一種磁場感測元件，包括基板、多個磁通集中器、多個磁阻感測器以及多個磁化方向設定元件。這些磁通集中器、這些磁阻感測器以及這些磁化方向設定元件設置於基板上。每一磁通集中器的相對兩側設有這些磁阻感測器的至少一部分。每一磁通集中器、這些磁阻感測器的至少一部分以及每一磁化方向設定元件在基板上的正投影區域分別為第一、第二及第三正投影區域。第三正投影區域分別與第一正投影區域以及第二正投影區域至少部分重疊。另，一種磁場感測裝置亦被提出。

Description

磁場感測元件以及磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測元件以及磁場感測裝置。

隨著可攜式電子裝置的普及，能夠感應地磁方向的電子羅盤之技術便受到重視。當電子羅盤應用於體積小的可攜式電子裝置(如智慧型手機時，電子羅盤除了需符合體積小的需求之外，最好還能夠達到三軸的感測。因此，三方向磁場感測裝置近年來廣泛地應用於各種電子裝置中。

然而，在感測磁場的過程中，由於磁滯現象(Hysteresis Phenomenon)的關係，即使外在磁場消失，磁場感測裝置中的鐵磁材料仍會被原先的外在磁場所影響而會有殘磁，而此會導致感測結果的失準。因此，如何解決上述問題，一直是本領域的技術人員所努力的方向。

本發明提供一種磁場感測元件以及磁場感測裝置，其可以在較小的體積下同時對磁阻感測器以及磁通集中器磁化重置(magnetization resetting)，而可得到準確的感測結果。

本發明的實施例的磁場感測元件包括基板、多個磁通集中器、多個磁阻感測器以及多個磁化方向設定元件。這些磁通集中器、這些磁阻感測器以及這些磁化方向設定元件設置於基板上。每一磁通集中器的相對兩側設有這些磁阻感測器的至少一部分。每一磁通集中器在基板上的正投影區域為第一正投影區域。這些磁阻感測器的至少一部分在基板上的正投影區域為第二正投影區域。每一磁化方向設定元件在基板上的正投影區域為第三正投影區域。第三正投影區域分別與第一正投影區域以及第二正投影區域至少部分重疊。

本發明的實施例的磁場感測裝置包括基板以及至少一磁場感測元件。磁場感測元件包括多個第一磁通集中器、多個第一磁阻感測器以及多個第一磁化方向設定元件。這些第一磁通集中器、這些第一磁阻感測器以及這些第一磁化方向設定元件設置於基板上。每一第一磁通集中器的相對兩側設有這些第一磁阻感測器的至少一部分。每一第一磁通集中器在基板上的正投影區域為第一正投影區域。這些第一磁阻感測器的至少一部分在基板上的正投影區域為第二正投影區域。每一第一磁化方向設定元件在基板上的正投影區域為第三正投影區域。第三正投影區域分別與第一正投影區域以及第二正投影區域至少部分重疊。

基於上述，在本發明實施例的磁場感測元件以及磁場感測裝置中，其藉由將磁化方向設定元件分別與磁阻感測器以及磁通集中器在空間上重疊的設置方式，因此其可同時對磁阻感測器以及磁通集中器重新設定磁化方向，而具有較小的體積，並且可進一步來消除於磁阻感測器以及磁通集中器的殘磁，而得到精確的感測結果。此外，本發明實施例的磁場感測元件以及磁場感測裝置適用於晶圓級封裝(Wafer Level Packaging)技術。

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。

1、1’‧‧‧磁感測器

10、10’、10a~10c、10a’~10c’‧‧‧磁場感測裝置

100、100a~100c、100a’~100c’、100a”‧‧‧磁場感測元件

110、112、114、112a~112c、114a~114c‧‧‧磁通集中器

120、121~128、121a~128a、121b~128b、121c~128c‧‧‧磁阻感測器

130、132、132a、132b、132c、134、134a、134b、134c‧‧‧磁化方向設定元件

140‧‧‧電流產生器

150、160、170‧‧‧絕緣層

180‧‧‧切換電路

D‧‧‧延伸方向

D1、D2、D3‧‧‧方向

FF‧‧‧鐵磁膜

FL‧‧‧磁力線

FS‧‧‧第一側

Gnd、Gnd1、Gnd2‧‧‧接地

H‧‧‧外在磁場

I‧‧‧電流

M‧‧‧磁化方向

P1‧‧‧第一正投影區域

P2‧‧‧第二正投影區域

P3‧‧‧第三正投影區域

P4‧‧‧第四正投影區域

P5‧‧‧第五正投影區域

R‧‧‧電阻值

△R‧‧‧電阻值的變化量

R1-R1’、R2-R2’、R3-R3’‧‧‧剖面

Pa、Pa1、Pa2、Pb、Pb1、Pb2、P1~P8‧‧‧接點

S‧‧‧基板

SB‧‧‧短路棒

SD‧‧‧感測方向

SS‧‧‧第二側

S1‧‧‧表面

Vdd、Vdd1、Vdd2‧‧‧參考電壓

Vo1~Vo4‧‧‧電壓值

WF1‧‧‧第一惠斯同全橋

WF2‧‧‧第二惠斯同全橋

WH1‧‧‧第一惠斯同半橋

WH2‧‧‧第二惠斯同半橋

圖1A為本發明的一實施例的一種磁場感測裝置的上視概要示意圖。

圖1B為圖1A的變形實施例的上視概要示意圖。

圖2A至圖2C是在圖1A中剖面R1-R1’的不同實施態樣的剖面示意圖。

圖3A與圖3B用以說明圖1A中的異向性磁電阻的不同佈局方法。

圖4A與圖4B用以說明圖1A中的磁阻感測器與磁通集中器在外在磁場的作用下的示意圖。

圖5A為在剖面R2-R2’下磁化方向設定元件對磁通集中器設定磁化方向的示意圖。

圖5B為在剖面R3-R3’下磁化方向設定元件對磁阻感測器設定磁化方向的示意圖。

圖5C為磁阻感測器以及磁通集中器在方向D2上所測量的磁滯曲線。

圖6A以及圖6B分別繪示本發明的一實施例在第一時間區間以及第二時間區間的磁阻感測器的橋接方式以及所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。

圖6C為圖6A的實施例的磁場感測元件在量測在方向D3上的磁場分量的等效電路圖。

圖6D為圖6B的實施例的磁場感測元件在量測方向D2上的磁場分量的等效電路圖。

圖7A以及圖7B分別繪示本發明的另一實施例在第一時間區間以及第二時間區間的磁阻感測器的橋接方式以及所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。

圖7C為圖7A的實施例的磁場感測元件在量測在方向D3上的磁場分量的等效電路圖。

圖7D為圖7B的實施例的磁場感測元件在量測方向D2上的磁場分量的等效電路圖。

圖8A至圖10A為本發明的不同實施例的磁場感測裝置的上視概要示意圖。

圖8B至圖10B分別為圖8A至圖10A的磁場感測裝置的變形實施例的上視概要示意圖。

圖1A為本發明的一實施例的一種磁場感測裝置的上視概要示意圖。圖1B為圖1A的變形實施例的上視概要示意圖。圖2A至圖2C是在圖1A中剖面R1-R1’的不同實施態樣的剖面示意圖。圖式中各元件的形狀跟尺寸僅作為示例，本發明對此並不加以限制。

請參照圖1A以及圖2A，在本發明的實施例中，磁場感測裝置10為可感測外在磁場在三軸方向上的磁場分量，其由多個磁場感測元件100所組成(以兩個磁場感測元件100a、100b為例)。每一個磁場感測元件100包括基板S、多個磁通集中器110、多個磁阻感測器120、多個磁化方向設定元件130、電流產生器140以及絕緣層150、160。在每一磁場感測元件100中例如是包括兩個磁通集中器112、114、八個磁阻感測器121~128以及兩個磁化方向設定元件132、134，但不以此為限制。圖式中元件標號的數字後方的a、b代表的是歸屬關係，舉例來說，130a代表的是磁場感測元件100a的磁化方向設定元件，其他的元件標號以此類推。於下列的段落中會詳細地說明上述各元件。

在本發明實施例中所指的磁通集中器110係指其能夠將磁場的磁力線集中的元件。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。

在本發明實施例中所指的磁阻感測器120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120可為異向性磁阻感測器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)、穿隧性磁阻感測器(Tunneling Magnetoresistance,TMR)或巨磁阻感測器GMR(Giant Magnetoresistance,GMR)等具有類似功能的磁感測元件，本發明不以此為限。於本例中，磁阻感測器120為異向性磁阻感測器。

在本發明實施例中所指的磁化方向設定元件130可為藉由通電而產生磁場的線圈、導線、金屬片或導體中的任一者。

在本發明實施例所指的電流產生器140係指用以提供電流的電子元件。

基板S的表面S1為平面，且基板S例如是空白的矽基板(blank silicon)、玻璃基板或具有超大型積體電路(very large scale integrated-circuit,VLSI)或大型積體電路(large scale integrated-circuit,LSI)的矽基板，本發明不以此為限。

絕緣層150、160的材料例如是二氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氮化矽或者是其他具有絕緣功能的材料，本發明不以此為限。

於以下的段落中會詳細地說明本實施例的磁場感測裝置10中各元件的配置方式。由於磁場感測元件100a與磁場感測元件100b結構相同，其差異僅設置方式不同，因此以下的段落僅以磁場感測元件100a作為說明。

為了方便說明本例的磁場感測裝置10以及磁場感測元件 100，上述裝置以及元件所處的空間例如是由方向D1、D2、D3所定義的一直角座標系。方向D1與方向D2例如是分別平行於基板S的相鄰兩邊，而方向D3例如是垂直於基板S的表面S1。方向D1、D2、D3兩兩互為垂直。

請參照圖1A，在磁場感測元件100a中，每一磁通集中器110往方向D1延伸，且沿方向D2排列。每一磁通集中器110的相對兩側設有這些磁阻感測器120的至少一部分。舉例來說，磁阻感測器121a、122a以及磁阻感測器123a、124a分別設置於磁通集中器112a的上下兩側。磁阻感測器125a、126a以及磁阻感測器127a、128a分別設置於磁通集中器的114a的上下兩側。每一磁阻感測器120往方向D1延伸，且這些磁阻感測器121a~128a沿著方向D2排列。磁阻感測器121a~128a的感測方向垂直於延伸方向D1，其感測方向例如是方向D2。每一磁化方向設定元件130往方向D2延伸，且這些磁化方向設定元件132a、134a沿著方向D1排列。電流產生器140設於基板S中，並與磁阻感測器120以及這些磁化方向設定元件130耦接，並用以提供電流至磁阻感測器120或磁化方向設定元件130。

請參照圖2A，從磁場感測元件100a的剖面觀之，這些磁通集中器110、這些磁阻感測器120、這些磁化方向設定元件130以及絕緣層150、160皆設置於基板S上。磁阻感測器120以及磁化方向設定元件130與基板S耦接。於本例中，這些磁阻感測器120位於同一層。這些磁通集中器110設置於這些磁阻感測器120 的上側，而這些磁化方向設定元件130設置於這些磁阻感測器120的下側。絕緣層150包覆這些磁阻感測器120以使磁阻感測器120與其他層的電性絕緣。絕緣層160包覆這些磁化方向設定元件130以使磁化方向設定元件130與其他層電性絕緣。這些磁通集中器110設置於絕緣層150上，而暴露於外界。

值得一提的是，磁通集中器110、磁阻感測器120以及磁化方向設定元件130也可以有不同於圖2A的設置方式，本領域具有通常知識者可以依據實際需求與設計作出適當變化。請參照圖2B以及圖2C，其分別示出的兩種磁場感測元件100a’、100a”的剖面示意圖為圖2A的磁場感測元件100a的剖面示意圖的變化型態，兩者的上視圖的排列型態皆與圖1A的磁場感測元件100a具有相同的上視圖排列型態。於以下段落中僅對剖面的差異部分敘述。

請參照圖2B，相較於磁場感測元件100a，磁場感測元件100a’更包括絕緣層170。於本例中，這些磁通集中器110設置於這些磁阻感測器120的下側，且內埋於基板S。這些磁化方向設定元件130設置於這些磁阻感測器120的上側。絕緣層170則設置於絕緣層150與基板S之間以使磁通集中器110與其他層的元件電性絕緣。

請參照圖2C，相較於磁場感測元件100a，在磁場感測元件100a”中，這些磁通集中器110以及這些磁化方向設定元件130皆設置於這些磁阻感測器120的下側。這些磁通集中器110內埋於基板S。絕緣層170則設置於絕緣層150與基板S之間。

請同時參照圖1A、圖2A至圖2C，每一磁通集中器110在基板S上的正投影區域為第一正投影區域P1。這些磁阻感測器120的至少一部分在基板S上為第二正投影區域P2。每一磁化方向設定元件130在基板S上的正投影區域為第三正投影區域P3。第三正投影區域P3分別與第一正投影區域P1以及第二正投影區域P2至少部分重疊。詳細來說，磁化方向設定元件132a的正投影區域P3分別與這磁通集中器112a、114a的正投影區域P1以及些磁阻感測器121a~128a的至少一部分122a、124a、126a、128a的正投影區域P2的至少部分重疊。磁化方向設定元件134a的正投影區域P3分別與這磁通集中器112a、114a的正投影區域P1以及些磁阻感測器121a~128a的至少一部分121a、123a、125a、127a的正投影區域P2的至少部分重疊。並且，於本例中，該些第一正投影區域P1不與該些第二正投影區域P2重疊。也就是說，該些第一正投影區域P1與該些第二正投影區域P2彼此錯開。

另一方面，磁場感測元件100b的元件構成類似於磁場感測元件100a的元件構成，其主要差異在於設置方式的不同：舉例來說，磁場感測元件100b的設置方式等效於磁場感測元件100a以逆時針旋轉90度方向設置。其他的說明可參照磁場感測元件100a說明並參照圖式而可類推，於此不再贅述。

於以下段落中會詳細說明磁場感測元件100a中各元件的工作原理。

圖3A與圖3B用以說明圖1A中的異向性磁阻感測器的不同佈局方法。

請參照圖3A以及圖3B，異向性磁阻感測器120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120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120的主體，其延伸方向即為異向性磁阻感測器120的延伸方向。異向性磁阻感測器120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)。

異向性磁阻感測器120在開始量測外在磁場H之前，可先藉由磁化方向設定元件130來設定其磁化方向。在圖3A中，磁化方向設定元件130可藉由通電產生沿著延伸方向D的磁場，以使異向性磁阻感測器120具有磁化方向M。

接著，磁化方向設定元件130不通電，以使異向性磁阻感測器120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120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120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120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120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120的電阻值有-△R的變化，即成為R-△R，也就是電阻值變小，其中△R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120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120的電阻值會變成R+△R，亦即異向性磁阻感測器120的電阻值變大。

此外，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器120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120的電阻值會變成R+△R。再者，藉由磁化方向設定元件130將異向性磁阻感測器120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120的電阻值會變成R-△R。

綜合上述可知，當短路棒SB的設置方向改變時，異向性磁阻感測器120的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+△R變為-△R或反之，且當磁化方向設定元件130所設定的磁化方向M改變成反向時，異向性磁阻感測器120的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+△R變為-△R或反之。當外在磁場H的方向變為反向時，異向性磁阻感測器120的電阻值R對應於外在磁場H的變化會從+△R變為-△R或反之。然而，當通過異向性磁阻感測器120的電流I變成反向時，異向性磁阻感測器120的電阻值R對應於外在磁場H的變化則維持與原來相同正負號，即原本若為+△R，改變電流方向後仍為+△R，若原本為-△R，改變電流方向後仍為-△R。

依照上述的原則，便可藉由設計短路棒SB的延伸方向D或磁化方向設定元件130所設定的磁化方向M來決定當異向性磁阻感測器120受到外在磁場H的某一分量時，異向性磁阻感測器120的電阻值R的變化方向，即電阻值R變大或變小，例如變化量是+△R或-△R。

圖4A與圖4B用以說明圖1A中的磁阻感測器與磁通集中器在外在磁場的作用下的示意圖。於此處以通過剖面R1-R1磁阻感測器與磁通集中器為範例作為說明，其他部分以此類推，於此不在贅述。

請參照圖4A，當平行於方向D3的外在磁場H施於磁場感測元件100a時，磁力線FL因磁通集中器110相對於空氣的高導磁率(permeability)會由磁通集中器110的左右兩側往磁通集中器110的方向集中。磁力線FL因而會有類似於彎曲的現象產生。彎曲的外在磁場H會對設置於磁通集中器110的相對兩側的磁阻感測器120(以127a、125a為例)產生在兩個方向相對的磁場分量(如圖中黑色箭頭所示)。藉由減法，彎曲的外在磁場H在方向D3的磁場分量(未示出)大小的相關訊號即可得到，而彎曲的外在磁場H在方向D2的磁場分量大小的相關訊號則可被相消。

請參照圖4B，當外在磁場H以方向D2施於磁場感測元件100a時，磁力線FL會由磁通集中器110的上下兩側往磁通集中器110的方向集中。彎曲的外在磁場H會對設置於磁通集中器110的相對兩側的磁阻感測器120(以127a、125a為例)產生兩個方向相同的磁場(如圖中黑色箭頭所示)。藉由加法，彎曲的外在磁場H在方向D3的磁場分量(未示出)大小的相關訊號則可被相消，而彎曲的外在磁場H在方向D2的磁場分量大小即可得到。

圖5A為在剖面R2-R2’下磁化方向設定元件對磁通集中器設定磁化方向的示意圖。圖5B為在剖面R3-R3’下磁化方向設定元件對磁阻感測器設定磁化方向的示意圖。圖5C為磁阻感測器以及磁通集中器在方向D2上所測量的磁滯曲線。

請先參照圖5A，於本例中，電流產生器140適於對不同的磁化方向設定元件132a、134a提供電流方向相反的兩電流(或稱此兩電流互為反平行(anti-parallel))。詳言之，電流產生器140可對磁化方向設定元件132a提供電流方向為方向D2的反方向的電流(標記為)，而對磁化方向設定元件134a提供電流方向為方向D2的電流(標記為⊙)。因此，對於磁通集中器112a來說，磁化方向設定元件132a、134a可藉由上述電流提供的條件分別在磁通集中器112a中的不同區域產生反向磁場(如圖5A中箭頭所示)。當電流移除時，可使磁通集中器112a非磁化(non-magnetized)。類似地，磁化方向設定元件132a、134a也可對磁通集中器114a執行上述的步驟。

基於類似圖5A的電流提供條件，請參照圖5B，於本例中，對於磁阻感測器121a、122a來說，磁化方向設定元件132a以對磁阻感測器122a產生沿著方向D1的磁場，同理可知，磁化方向設定元件132a也會對磁阻感測器124a、126a、128a產生沿著方向D1的磁場。磁化方向設定元件134a則對磁阻感測器121a產生沿著方向D1的反方向的磁場，同理可知，磁化方向設定元件134a也會對磁阻感測器123a、125a、127a產生沿著方向D1的反方向的磁場。

圖5A以及圖5B的剖面係為圖2A的磁場感測元件100a。的剖面。於其他未示的實施例中，亦可對圖2B、圖2C的磁場感測元件100a’、100a”進行如圖5A、圖5B的磁場設定方式，本發明並不以此為限制。

請參照圖5C，橫軸為外在磁場H的大小，縱軸為元件在方向D2的磁感應強度，其中m點所代表的意義是：磁通集中器110在方向D2的殘磁感應強度，而m’點所代表的意義是：磁阻感測器120在方向D2的殘磁感應強度。當外在磁場不為零時，磁通集中器110或磁阻感測器120會以虛線而不會以實線的方式增加或減少其磁感應強度，實線與虛線之間的磁感應強度偏差會導致感測結果的失準。

因此，於本例中，可以藉由如圖5A、圖5B的磁場設定方式，以將磁通集中器110或者將磁阻感測器120的磁化方向設定為與感測方向D2垂直的方向D1上，因此無論是磁通集中器110或磁阻感測器120的殘磁感應強度在感測方向D2上的影響可被降低。本實施例的磁場感測元件100a可以藉由上述的磁化設定方式而可具有超低輸出偏移(ultra-low output offset)，因而可具有準確的感測結果。

承上述，在本發明實施例的磁場感測元件100a中，由於磁化方向設定元件130在基板S上的正投影區域P3與磁通集中器110在基板S上的正投影區域P1以及這些磁阻感測器120的至少一部分在基板S上的正投影區域P2至少部分重疊，藉由這樣的設置，磁化方向設定元件130可以在較小的體積下同時對磁通集中器110以及磁阻感測器120重新設定磁化方向。進一步來說，藉由重設磁化方向M至垂直於感測方向D2的方向D1上，可以有效地降低對磁通集中器110以及磁阻感測器120的在方向D2上的殘磁感應強度，因此本實施例的磁場感測元件100a的感測結果較為精確。

在以下的段落中，會以示例性地說明本實施例的磁場感測裝置10如何量測外在磁場的大小。

圖6A以及圖6B分別繪示本發明的一實施例在第一時間區間以及第二時間區間的磁阻感測器的橋接方式以及所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。圖6C為圖6A的實施例的磁場感測元件在量測在方向D3上的磁場分量的等效電路圖。圖6D為圖6B的實施例的磁場感測元件在量測方向D2上的磁場分量的等效電路圖。

請先參照圖6A以及圖6B，於本例中，這些磁阻感測器121a~128a可以透過導線來連接。配合圖5B的說明，磁化方向設定元件132a將磁阻感測器122a、124a、126a、128a的磁化方向M設定為方向D1，而磁化方向設定元件134a則將磁阻感測器121a、123a、125a、125a的磁化方向M設定為方向D1的反方向。換言之，這些磁阻感測器120的一部分與另一部分的磁化方向M被設定為相互背向對方(或稱互為反平行)。接著，磁阻感測器122a、123a、125a、128a的短路棒的傾斜方向(例如是右上到左下)相同。磁阻感測器121a、124a、126a、127a的短路棒的傾斜方向(例如是左上到右下)相同。於本例中，每一磁通集中器112a、114a具有彼此相對的第一側FS以及第二側SS。位於每一磁通集中器112a、114a的第一側FS的這些磁阻感測器的至少一部分(121a、122a、125a、126a)形成第一惠斯同半橋WH1。位於每一磁通集中器的第二側SS的這些磁阻感測器的至少一部分(123a、124a、127a、128a)形成第二惠斯同半橋WH2。於本例中，磁場感測元件100a可以選擇性地設置切換電路180。切換電路180藉由切換接點P2、P4、P6、P8而在不同的時間區間內將第一、第二惠斯同半橋WH1、WH2電性連接成二種惠斯同全橋(圖6C、圖6D)，以分別量測在二個不同方向的磁場分量，而此二種惠斯同全橋輸出分別對應於二個不同方向的磁場分量的二個訊號。

請參照圖6A以及圖6C，在第一時間區間內，切換電路180將接點P2與接點P8電性連接，且將接點P4與接點P6電性連接，而形成第一種惠斯同全橋。當平行於方向D3的外在磁場H施加在磁場感測元件100a時，外在磁場H被磁通集中器112a、114a所彎曲，而使磁阻感測器121a~128a因外在磁場H彎曲而感應到在方向D2以及方向D3的磁場分量(參照圖4A說明)。磁阻感測器121a~124a受到外在磁場H影響而分別產生+△R的電阻值，另一方面，磁阻感測器125a~128a受到外在磁場H影響而分別產生-△R的電阻值。於本例中，接點Pa接收參考電壓Vdd，接點Pb則接地(Gnd)。接點P2、P8的電壓值為Vo1。接點P6、P4的電壓值為Vo2。電壓值Vo1與電壓值為Vo2之間的電壓差可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號。差分訊號的大小與彎曲的外在磁場H在方向D3上的磁場分量大小之間具有線型關係，據此，可得知外在磁場H的磁場大小。此外，彎曲的外在磁場H在方向D2、D1上的磁場分量在此惠斯同全橋下不會輸出訊號。

請參照圖6B以及圖6D，在第二時間區間內，切換電路180將接點P2與接點P4電性連接，且將接點P6與接點P8電性連接，而形成第二種惠斯同全橋。當平行於方向D2的外在磁場H施加在磁場感測元件100a時，外在磁場H被磁通集中器112a、114a所彎曲，而使磁阻感測器121a~128a因外在磁場H彎曲而感應到在方向D2以及方向D3的磁場分量(參照圖4B說明)。磁阻感測器 121a、122a、127a、128a受到外在磁場H影響而分別產生-△R的電阻值，另一方面，磁阻感測器123a、124a、125a、126a受到外在磁場H影響而分別產生+△R的電阻值。於本例中，接點Pa接收參考電壓Vdd，接點Pb則是接地(Gnd)。接點P2、P4的電壓值為Vo1。接點P6、P8的電壓值為Vo2。電壓值Vo1與電壓值為Vo2之間的電壓差可以為輸出訊號，此輸出訊號為一差分訊號。差分訊號的大小與彎曲的外在磁場H在方向D2上的磁場分量大小之間具有線性關係。據此，可得知外在磁場H的磁場大小。此外，彎曲的外在磁場H在方向D1、D3上的磁場分量在此惠斯同全橋下不會輸出訊號。

圖7A以及圖7B分別繪示本發明的另一實施例在第一時間區間以及第二時間區間的磁阻感測器的橋接方式以及所適用的磁電阻的短路棒設置方向與磁化方向的設置方向的示意圖。圖7C為圖7A的實施例的磁場感測元件在量測在方向D3上的磁場分量的等效電路圖。圖7D為圖7B的實施例的磁場感測元件在量測方向D2上的磁場分量的等效電路圖。

圖7A至圖7D的元件設置方式大致上類似於圖6A至圖6D的元件設置方式，其主要差異在於短路棒的傾斜方向的設計方式以及電路設計不同，於此處將差異描述如下。請先參照圖7A以及圖7B，磁阻感測器121a、122a、127a、128a的短路棒的傾斜方向(例如是右上到左下)相同。磁阻感測器123a、124a、125a、126a的短路棒的傾斜方向(例如是左上到右下)相同。接著，位於每一磁通集中器112a、114a的第一側FS的這些磁阻感測器的至少一部分(121a、122a、125a、126a)組成第一惠斯同全橋WF1。位於每一磁通集中器的第二側SS的這些磁阻感測器的至少一部分(123a、124a、127a、128a)形成第二惠斯同全橋WF2。請參照圖7A，在第一惠斯同全橋WF1中，接點Pa1接收參考電壓Vdd1，接點Pb1則是接地(Gnd1)，接點P1的電壓值為Vo1，且接點P3的電壓值為Vo3。請參照圖7B，在第二惠斯同全橋WF2中，接點Pa2接收參考電壓Vdd2，接點Pb2則是接地(Gnd2)，接點P3的電壓值為Vo3，且接點P7的電壓值為Vo4。電壓值Vo1與電壓值為Vo3之間的電壓差可以為第一惠斯同全橋WF1的第一輸出訊號。電壓值Vo3與電壓值為Vo4之間的電壓差可以為第二惠斯同全橋WF2的第二輸出訊號。上述的第一輸出訊號及第二輸出訊號皆為一差分訊號。

請參照圖7A以及圖7C，當平行於方向D3的外在磁場H施加在磁場感測元件100a時，外在磁場H被磁通集中器112a、114a所彎曲，而使磁阻感測器121a~128a因外在磁場H彎曲而感應到在方向D2以及方向D3的磁場分量。磁阻感測器121a、123a、126a、128a受到外在磁場H影響而分別產生+△R的電阻值，另一方面，使磁阻感測器122a、124a、125a、127a受到外在磁場H影響而分別產生-△R的電阻值。磁場感測元件100a可藉由將第一輸出訊號以及第二輸出訊號相加而得到一加總訊號。加總訊號的大小與彎曲的外在磁場H在方向D3的磁場分量大小之間具有線性關係。據此，可得知外在磁場H的磁場大小。此外，彎曲的外在磁場H在方向D2上的磁場分量因將第一、第二輸出訊號加總而相消。彎曲的外在磁場H在方向D1上的磁場分量在此第一、第二惠斯同全橋WH1、WH2下不會輸出訊號。

請參照圖7B以及圖7D，當平行於方向D2的外在磁場H施加在磁場感測元件100a時，外在磁場H被磁通集中器112a、114a所彎曲，而使磁阻感測器121a~128a因外在磁場H彎曲而感應到在方向D2以及方向D3的磁場分量。磁阻感測器121a、124a、126a、127a受到外在磁場H影響而分別產生+△R的電阻值，另一方面，使磁阻感測器122a、123a、125a、128a受到外在磁場H影響而分別產生-△R的電阻值。磁場感測元件100a可藉由將第一輸出訊號以及第二輸出訊號相減而得到一差分訊號。第一輸出訊號以及第二輸出訊號的絕對值彼此相同，但正負號不同。差分訊號的大小與彎曲的外在磁場H在方向D2的磁場分量大小之間具有線性關係。據此，可得知外在磁場H的磁場大小。此外，彎曲的外在磁場H在方向D3上的磁場分量因將第一、第二輸出訊號相減而相消。彎曲的外在磁場H在方向D1上的磁場分量在此第一、的二惠斯同全橋WH1、WH2下不會輸出訊號。

承上述，磁場感測元件100a可以藉由圖6A及圖6B或圖7A及圖7B的電路配置方式而可量測到在方向D2、D3的磁場。本領域的技術人員可參照上述的電路配置方式，而將磁場感測元件100b中磁阻感測器121b~128b形成惠斯同全橋而可量測到平行於方向D1的外在磁場H。因此，磁場感測裝置10可以藉由磁場感測元件100a、100b而在平面上實現三方向磁場的量測。

此外，由於具有彎折外在磁場H能力的磁通集中器110形成於基板S的表面S1上，因此可以將在方向D3的磁場的相關電氣訊號轉移到而使設置於平面S1上的磁阻感測器120來進行感測，而在方向D1、D2上的磁場相關電氣訊號亦可以被設置於平面S1上的磁阻感測器120感測，因此本實施例的磁場感測裝置10的設置方式除了可在平面上實現三方向磁場的量測外，亦可以應用於晶圓級封裝技術。

於他例中，本領域具有通常知識者可以依據實際需求與設計對電路架構作出適當變化。舉例來說，這些磁阻感測器120可以形成惠司同半橋、惠司同全橋、單段感應電阻(single-ended sensing resistors)、一對互補的單段感應電阻(a pair of compensated single-ended sensing resistors)或其組合，本發明並不以電路架構為限制。

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。此外，為了清楚地顯示圖面，下方段落所述及的圖中省略部分與先前實施例相同的元件的標號。

請參照圖1B，在磁場感測裝置10’中，磁場感測元件100a’中的磁通集中器110包括四個磁通集中器112a、114a、116a、118a。每一磁通集中器110在基板S上的第一正投影區域P1僅與一磁化方向設定元件130在基板S上的第三正投影區域P3重疊。舉例而言，磁通集中器112a的第一正投影區域P1僅與磁化方向設定元件132a的第三正投影區域P3重疊，其他以此類推。磁化方向設定元件132a、134a可以將磁通集中器112a與磁通集中器116a的磁化方向設定為彼此互為反平行，其他以此類推。磁場感測元件100b’的說明類似於磁場感測元件100a’，於此不再贅述。此外，磁場感測裝置10’具有類似於磁場感測裝置10的功效，也可藉由類似的電路配置而達到感測三方向磁場的效果，於此不在贅述。

圖8A至圖10A為本發明的不同實施例的磁場感測裝置的上視概要示意圖。圖8B至圖10B分別為圖8A至圖10A的磁場感測裝置的變形實施例的上視概要示意圖。

請參照圖8A，磁場感測裝置10a大致上類似於磁場感測裝置10，其主要差異在於：磁場感測裝置10a更包括磁場感測元件100c。磁場感測元件100c的元件架構以及作動方式與磁場感測元件100a相同，相關的說明可參照上述段落，於此不在贅述。於本例中，這些磁阻感測器121a~128a、這些磁阻感測器121b~128b以及這些磁阻感測器121c~128c可分別形成三個惠司同全橋，其中磁場感測元件100a的惠司同全橋用以感測在方向D2的磁場，磁場感測元件100b的惠司同全橋用以感測在方向D1的磁場，而磁場感測元件100c的惠司同全橋用以感測在方向D3的磁場，以達到實現感測三方向磁場的效果。換言之，每一個磁場感測元件皆為單方向磁感測器。

請參照圖8B，磁場感測裝置10a'大致上類似於磁場感測裝置10a，其變形的相關說明可參照圖1B的實施範例，於此不再贅述。

請參照圖9A，磁場感測裝置10b大致上類似於磁場感測裝置10，其主要差異在於：磁場感測裝置10b不設有磁場感測元件100b，但設有磁感測器1。磁感測器1包括多個設置於基板S上的磁阻感測器120(121d~128d)以及多個設置於基板S上的磁化方向設定元件130(132d、134d)。在磁感測器1中，這些磁阻感測器120的至少一部份在基板S上的正投影區域為第四正投影區域P4。每一磁化方向設定元件130在基板S上的正投影區域為第五正投影區域P5。第五正投影區域P5與第四正投影區域P4至少部分重疊。詳細來說，磁阻感測器120的至少一部份(121d、123d、125d、127d)在基板S上的正投影區域P4與磁化方向設定元件134d在基板S上的正投影區域P5重疊，而磁阻感測器120的至少一部份(122d、124d、126d、128d)在基板S上的正投影區域P4與磁化方向設定元件132d在基板S上的正投影區域P5重疊。電流產生器140亦與磁化方向設定元件132d、134d耦接，亦可藉由如圖5B的磁場設定方式以設定磁阻感測器121d~128d的磁化方向。於本例中，磁場感測元件100a中的這些磁阻感測器120可參照如同圖6A至圖6D的惠司同半橋的電路連接方式，而在不同的時間區間內形成兩種不同的惠司同全橋，以分別感測在方向D2以及在方向D3的磁場。磁感測器1中的這些磁阻感測器121d~128d可電性連接形成一個惠司同全橋，以感測在方向D1的磁場。

請參照圖9B，磁場感測裝置10b’大致上類似於磁場感測裝置10b，其變形的相關說明可參照圖1B的實施範例，於此不再贅述。

請參照圖10A，磁場感測裝置10c大致上類似於磁場感測裝置10b，其主要差異在於：磁場感測裝置10c更包括磁感測器1’。磁感測器1’的元件構成類似於磁感測器1的元件構成，主要差異在於設置方式的不同。磁感測器1’等效於磁感測器1以逆時針旋轉90度方向設置，其他的說明與磁感測器1類似，於此不再贅述。於本例中，這些磁阻感測器121a~128a、這些磁阻感測器121d~128d以及這些磁阻感測器121e~128e可分別形成三個惠司同全橋，其中磁場感測元件100a的惠司同全橋用以感測在方向D3的磁場，磁場感測元件100b的惠司同全橋用以感測在方向D1的磁場，而磁場感測元件100c的惠司同全橋用以感測在方向D2的磁場。

請參照圖10B，磁場感測裝置10c’大致上類似於磁場感測裝置10c，其變形的相關說明可參照圖1B的實施範例，於此不再贅述。

綜上所述，在本發明的實施例的磁場感測元件以及磁場感測裝置中，其藉由將磁化方向設定元件分別與磁阻感測器以及磁通集中器在空間上重疊的設置方式，因此磁化方向設定元件可同時對磁阻感測器以及磁通集中器重新設定磁化方向，而具有較小的體積，並且可進一步來消除於其中的殘磁，而得到精確的感測結果。

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。

Claims

一種磁場感測元件，包括：一基板；多個磁通集中器，設置於該基板上；多個磁阻感測器，設置於該基板上，其中每一該磁通集中器的相對兩側設有該些磁阻感測器的至少一部分；以及多個磁化方向設定元件，設置於該基板上，其中，每一該磁通集中器在該基板上的正投影區域為一第一正投影區域，該些磁阻感測器的至少一部分在該基板上的正投影區域為一第二正投影區域，每一該磁化方向設定元件在該基板上的正投影區域為一第三正投影區域，該第三正投影區域分別與該第一正投影區域以及該第二正投影區域至少部分重疊。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中，每一該磁通集中器往一第一方向延伸，且該些磁通集中器沿一第二方向排列，該第一方向不同於該第二方向，每一該磁阻感測器往該第一方向延伸，且該些磁阻感測器沿該第二方向排列，該些磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第二方向；以及每一該磁化方向設定元件往該第二方向延伸，且該些磁化方向設定元件沿該第一方向排列。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中，每一該磁通集中器往一第二方向延伸，且該些磁通集中器沿一第一方向排列，該第一方向不同於該第二方向，每一該磁阻感測器往該第二方向延伸，且該些磁阻感測器沿該第一方向排列，該些磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第一方向；以及每一該磁化方向設定元件往該第一方向延伸，且該些磁化方向設定元件沿該第二方向排列。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，更包括：一電流產生器，耦接於該些磁化方向設定元件，該些磁化方向設定元件更包括二磁化方向設定元件，且該電流產生器適於分別提供電流方向相反的兩電流至該二磁化方向設定元件。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，更包括一切換電路，每一該磁通集中器具有彼此相對的一第一側以及一第二側，其中，位於每一該磁通集中器的該第一側的部分該些磁阻感測器形成一第一惠斯同半橋，位於每一該磁通集中器的該第二側的部分該些磁阻感測器形成一第二惠斯同半橋，該切換電路在不同的時間區間內將該第一惠斯同半橋與該第二惠斯同半橋電性連接成至少二種惠斯同全橋，以分別量測在二個不同方向的磁場分量，並使該至少二惠斯同全橋輸出分別對應於該二個不同方向的磁場分量的二個訊號。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中每一該磁通集中器具有彼此相對的一第一側以及一第二側，其中，位於每一該磁通集中器的該第一側的部分該些磁阻感測器形成一第一惠斯同全橋，位於每一該磁通集中器的該第二側的部分該些磁阻感測器形成一第二惠斯同全橋，其中，該磁場感測元件根據該第一惠斯同全橋的一第一輸出訊號以及該第二惠斯同全橋的一第二輸出訊號以得到在二個不同方向的磁場分量。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中每一該第一正投影區域同時與該些第三正投影區域重疊。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中每一該第一正投影區域僅與一該第三正投影區域重疊。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中該些第一正投影區域與該些第二正投影區域彼此錯開。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中該些磁通集中器以及該些磁化方向設定元件設置於該些磁阻感測器的同一側。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測元件，其中該些磁通集中器以及該些磁化方向設定元件分別設置於該些磁阻感測器的相對兩側。
一種磁場感測裝置，包括：一基板；至少一磁場感測元件，該磁場感測元件包括：多個第一磁通集中器，設置於該基板上；多個第一磁阻感測器，設置於該基板上，其中每一該第一磁通集中器的相對兩側設有該些第一磁阻感測器的至少一部分；以及多個第一磁化方向設定元件，設置於該基板上，其中，每一該第一磁通集中器在該基板上的正投影區域為一第一正投影區域，該些第一磁阻感測器的至少一部分在該基板上的正投影區域為一第二正投影區域，每一該第一磁化方向設定元件在該基板上的正投影區域為一第三正投影區域，該第三正投影區域分別與該第一正投影區域以及該第二正投影區域至少部分重疊。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，更包括至少一磁感測器，該磁感測器包括多個第二磁阻感測器以及多個第二磁化方向設定元件，該些第二磁阻感測器以及該些第二磁化方向設定元件設置於該基板上，其中，該些第二磁阻感測器的至少一部分在該基板上的正投影區域為一第四正投影區域；每一該第二磁化方向設定元件在該基板上的正投影區域為一第五正投影區域，該第五正投影區域與該第四正投影區域至少部分重疊。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中，在一該磁場感測元件中，每一該第一磁通集中器往一第一方向延伸，且該些第一磁通集中器沿一第二方向排列，該第一方向不同於該第二方向，每一該第一磁阻感測器往該第一方向延伸，且該些第一磁阻感測器沿該第二方向排列，該些第一磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第二方向；以及每一該第一磁化方向設定元件往該第二方向延伸，且該些第一磁化方向設定元件沿該第一方向排列。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中，在一該磁場感測元件中，每一該第一磁通集中器往一第二方向延伸，且該些第一磁通集中器沿一第一方向排列，該第一方向不同於該第二方向，每一該第一磁阻感測器往該第二方向延伸，且該些第一磁阻感測器沿該第一方向排列，該些第一磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第一方向；以及每一該第一磁化方向設定元件往該第一方向延伸，且該些第一磁化方向設定元件沿該第二方向排列。
如申請專利範圍第13項所述的磁場感測裝置，其中，在一該磁感測器中，每一該第二磁化方向設定元件往一第一方向延伸，且該些第二磁化方向設定元件沿一第二方向排列，該第一方向不同於該第二方向；以及每一該第二磁阻感測器往該第二方向延伸，且該些第二磁阻感測器沿該第一方向排列，該些第二磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第一方向。
如申請專利範圍第13項所述的磁場感測裝置，其中，在一該磁感測器中，每一該第二磁化方向設定元件往一第二方向延伸，且該些第二磁化方向設定元件沿一第一方向排列，該第一方向不同於該第二方向；以及每一該第二磁阻感測器往該第一方向延伸，且該些第二磁阻感測器沿該第二方向排列，該些第二磁阻感測器的磁場感測軸平行於該第二方向。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中每一該第一正投影區域同時與該些第三正投影區域重疊。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中每一該第一正投影區域僅與一該第三正投影區域重疊。
如申請專利範圍第12項所述的磁場感測裝置，其中該些第一正投影區域與該些第二正投影區域彼此錯開。