TWI693418B - 校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法 - Google Patents

校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法 Download PDF

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Abstract

本發明係一種具校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法，透過內建可以產生相互正交或接近正交且均勻的三軸向磁場的結構，使得磁場感測器可以得到三軸磁場校正資訊，達到隨時可以自我校正磁場感測能力的效果。其後，磁場感測器在實際進行量測時，可以透過此校正資訊量對量測的結果進行校正，以提升量測三軸磁場資訊的準確性。

Description

校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法
本發明為一種磁場校正之技術，特別是指一種可以內建有校正磁場產生平台以產生三軸向且均勻的校正磁場的校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法。
隨著科技的進步，智慧型手持裝置，例如：手機或者是穿戴式裝置，的應用領域也逐漸增加。一般而言，這些智慧型手持裝置中，都會配置一種磁場感測器，用來作為定位位置與方位的用途，例如：電子羅盤、地磁指紋、室內導航等。
磁場感測器一般是利用磁阻效應來進行磁場感測。所謂磁阻效應(Magnetoresistance Effect,MR)是指特定磁阻材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應。因此可以將具有磁阻效應的材料設置在感測裝置當中，利用此效應進行各種應用。目前以磁阻材料進行磁感測的裝置，較常見的如巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)磁感測器與異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)磁感測器等。
儘管磁阻元件的應用領域很廣，但存在一些有待克服的問題。例如：在應用的情境中，磁阻元件的感測能力會受到很多環境因素的影響，例如：溫度、或者是其週邊電子元件所產生的磁場。此外，磁阻元件所感測的資訊，也會受到製程的影響，例如：在封裝焊接於電路板上等製程中，產生應力變化(霍爾效應和磁阻感測器皆應力敏感)。另外，也會因為使用時間而造成感測能力退化(aging)，使三軸感測磁場資訊變化不一等。
因為前述的問題，如何對具有磁阻元件的磁場感測器進行校正，是一個很重要的課題。在習用技術中，例如中華民國專利公告第I420128號揭露了一種磁感測裝置，其係揭露了一種具有補償線圈以校正感測磁場的技術，在該技術中，磁阻感測單元的一側具有補償線圈導入補償電流。補償電流流過該補償線圈用來建立一補償磁場至磁阻感測單元。此補償磁場可用來校正因外部干擾磁場對磁阻感測單元所造成的影響，其校正的效果可透過補償電流的電流大小進行控制。此外，又如美國公告專利US5,532,584揭露了一種用來產生校正磁阻感測器的平行導體，用來導引電流，以產生磁場，進而被磁阻感測器所感測。感測到的訊號被用來校正MR感測器因為溫度或者長時間使用所產生的誤差。
另外，在現有技術中，若欲解決磁場感測器量測不精準的問題，通常係調整、改變該磁場感測器的製造程序，以提升該磁場感測器量測的精準度，然而這種方式需要花費許多資源對製造程序進行調整、改善，導致生產成本提升或良率問題，即便晶片商完成晶片校正，也因後續封裝焊接於電路板上等製程，產生應力變化(霍爾效應和磁阻感測器皆應力敏感)，或時間效應使三軸變化不一，或每顆晶片溫度效應不一，無法精準補償，以上皆造成準度偏差。基於目前晶片安裝後無法對其三軸有效且精準校正，若無法有效改善量測的精準度時，由於不具備精準自我校正的能力，也會造成後續應用上的困擾。
所以，如何提升磁場感測器使用時的精確度確實是一個急需改善的問題，因此需一種校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法來解決習用技術之不足。
本發明提供一種校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法透過結構設計出可以產生三維度正交或接近正交、均勻、穩定之高精度磁場以利適時校準磁場感測器，有別於先前設計之缺陷，無法取代出廠前驗證及生產均勻度等問題。此外，為了提供穩定的電流，本發明更利用單一電源模組提供三軸穩定場，校正後大幅提高應用端的準確度及可行性，即使電源模組變動，也可維持三軸磁場比例，達到準確校正的目的。
本發明提供一種校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法，可以在出廠前或者是被安裝在應用裝置之後隨時的進行自我校正，達到降低環境磁場、溫度效應、封裝效應以及長期使用造成量測能力衰減所產生的影響，進而達到隨時提供準確磁場量測結果的效果。
在一實施例中，本發明提供一種校正磁場產生裝置，用以產生三維度的校正磁場，包括有一第一導電板、一第二導電板、以及一導電線圈。該第一導電板，藉由一第一電流產生已知磁場大小的一第一軸向磁場。該第二導電板，平行或接***行設置在該第一導電板之一側，該第二導電板藉由一第二電流產生與該第一軸向正交或接近正交之已知磁場大小的一第二軸向磁場。該導電線圈，環設於該第一與第二導電板之周圍，藉由一第三電流產生與該第一與第二軸向正交或接近正交的已知磁場大小的一第三軸向磁場。
在一實施例中，本發明提供一種具有自我校正磁場能力的磁場感測器，包括有一第一校正磁場產生裝置、一磁場感測單元以及一控制模組。該第一校正磁場產生裝置，用以產生三維度的校正磁場，該校正磁場產生裝置包括有一第一導電板、一第二導電板以及一導電線圈，該第一導電板藉由一第一電流產生已知磁場大小的一第一軸向磁場，該第二導電板，平行或接***行設置在該第一導電板之一側，該第二導電板藉由一第二電流產生與該第一軸向正交或接近正交之已知磁場大小的一第二軸向磁場，該導電線圈，環設於該第一與第二導電板之周圍，藉由一第三電流產生與該第一與第二軸向正交或接近正交的已知磁場大小的一第三軸向磁場。該磁場感測單元，設置於該第一導電板上，該磁場感測單元根據該第一軸向磁場、第二軸向磁場以及該第三軸向磁場產生相應的感測資訊。該控制模組，與該磁場感測單元電性連接，以接收該感測資訊並將相應每一軸向磁場的感測資訊與該軸向的已知磁場強度進行比較，以決定對應每一軸向磁場的校正資訊。
在一實施例中，本發明提供一種磁場校準方法，其係包括有下列步驟，首先，提供內建有一校正磁場產生裝置之一磁場感測器，其係具有一磁場感測單元。接著，以該校正磁場產生裝置依序產生已知磁場強度且磁場方向相互正交或接近正交的三個不同軸向之磁場。然後，使該磁場感測單元分別對該三個不同軸向之磁場進行感測，以分別產生相對應的一感測資訊。最後，根據每一軸向之該感測資訊與相對應軸向的已知磁場強度進行比較以決定對應每一軸向之磁場的校正資訊。
在一實施例中，該校正資訊包括一軸磁場感測靈敏度資訊及一跨軸正交性資訊。
2、2a、2b:校正磁場產生裝置
20:第一導電板
200:導電片
21、21a:第二導電板
210:導電片
22、22a:導電線圈
220:頂面
221:底面
222:內側面
223: 外側面
23:電源模組
230:電源
231:多工器
I1:第一定電流
I2:第二定電流
I3:第三定電流
B1、B2、B3:磁場
3、3a:磁場感測器
30:磁場感測單元
31:控制模組
32:溫度感測單元
4、4a:校準方法
40~46:步驟
5:校準方法
500~514:步驟
90、91:曲線
圖1A為本發明之校正磁場產生裝置之一實施例示意圖。
圖1B與圖1C分別為圖1A所示結構之AA剖面與BB剖面示意圖。
圖2為產生定電流之實施例方塊示意圖。
圖3A為本發明之校正磁場產生裝置之一實施例示意圖。
圖3B與圖3C為圖3A所示結構之AA剖面與BB剖面示意圖。
圖4為本發明之校正磁場產生裝置另一實施例示意圖。
圖5A與圖5B為本發明之具有自我校正磁場能力的磁場感測器不同實施例示意圖。
圖6為本發明之具有自我校正磁場能力的磁場感測器示意圖。
圖7為本發明之磁場校準方法實施例流程示意圖。
圖8為本發明之磁場校準方法另一實施例流程示意圖。
圖9A與圖9B分別為本發明之磁場校準方法不同實施例流程示意圖。
圖10為本發明之磁場校準方法又一實施例流程示意圖。
圖11為磁阻感測器的感測曲線示意圖。
在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式 來說明所述校正磁場產生裝置及其具有自我校正磁場能力的磁場感測器與校正方法，然而，下述實施例並非用以限制本發明。本發明中的接***行與平行之間的差異角度範圍約在正負2度之間，亦即-2~2度之間皆可視為接***行；而接近正交與正交之間的差異角度範圍約在正負2度之間，亦即88~92度之間皆可視為接近正交。本領域技術之人熟知誤差的範圍係根據製程的條件與精度而定，並無一定之限制。
請參閱圖1A至圖1C所示，其中圖1A為本發明之校正磁場產生裝置之一實施例示意圖；圖1B與圖1C為圖1A所示結構之AA剖面與BB剖面示意圖。本實施例中，該校正磁場產生裝置2，用以產生三維度的校正磁場，包括有一第一導電板20、一第二導電板21以及一導電線圈22。其中第一導電板20、第二導電板21兩者互為接***行或接***行設置。該導電線圈22環設在該第一與第二導電板20與21周邊，其中該導電線圈22係可由一導線所構成，並繞成一圈的線圈，且該導電線圈22的二自由端未直接相連。
在本實施例中，該第一導電板20、第二導電板21可包含矩形片狀、簍空線條的金屬導線、厚片導體或一層金屬一層離子佈植的組合。在本實施例中，該第一導電板20的底面與該第二導電板21的頂面之間具有一間隔高度H1；該導電線圈22具有一頂面220、一底面221、靠近該第一導電板20的一內側面222，以及與該內側面相對的一外側面223，其中，該導電線圈22的頂面220與該第一導電板20的頂面位於同一水平平面上，且該導電線圈22的底面221亦可對齊該第一導電板20的底面。此外，導電板間距H1或導電板大小，該導電線圈22與該第一導電片20之間具的間隔長度G1大小，都可以根據使用需求而設計，並無一定限制。
接下來說明圖1A所示結構產生磁場的方式，該第一導電板20，藉由一第一定電流I1產生已知磁場大小的一第一軸向(X)磁場B1。該第二導電板21，平行或接***行設置在該第一導電板20之一側，該第二導電板21藉由一第二定電流I2產生與該第一軸向(X)正交或接近正交之已知磁場大小的一第二軸向(Y)磁場。該導電線圈22，環設於該第一與第二導電板21之周圍，藉由一第三定電流I3產生與該第一與第二軸向(X,Y)正交或接近正交的已知磁場大小的一第三軸向(Z)磁場。以一實施例來說明，該第一定電流I1係沿該第二軸向(Y軸)的正方向流入該第一導電板20，可在該第一軸向(X軸)上產生該均勻磁場B1，該第二定電流I2係朝該第一軸向(X軸)的負方向流入該第二導電板21，可在該第二軸向(Y軸)上產生該均勻磁場B2，該第三定電流I3係沿該導電線圈22流動，可在該第三軸向(Z軸)上產生該均勻磁場B3。透過前述之結構設計，可以提供三軸正交或接近正交、均勻、穩定之高精度校正磁場以利適時校準磁場感測單元，其中該第一導電板20、第二導電板21與導電線圈22可以利用積體電路製程精度提供高度正交或接近正交場，而設計上避開製程變異提供均勻場，並利用單一電源模組提供三軸穩定場，校正後大幅提高應用端的準確度及可行性，即使電源模組變動，也可維持三軸磁場比例，達到提升磁場感測單元感測準確之目的。
前述之三定電流I1~I3可源於同一定電源模組，或利用同一鏡像放大，只由多工器切換以維持三軸電流比例。例如圖2所示，該圖為產生定電流之實施例方塊示意圖。在本實施例中，透過一電源模組23來實施，該電源模組23包括有一電源230以及多工器231來進行電流切換，其中電源230與該多工器231電性連接，該多工器231則和該校正磁場產生裝置2的第一導電板20、第二導電板21以及導電線圈22電性連接。該多工器231用以根據一控制訊號切換該電源 模組23與該第一導電板20、第二導電板21或該導電線圈22電性連接，以分別提供該第一、第二與第三電流I1~I3。
請參閱圖3A至圖3C所示，其中圖3A為本發明之校正磁場產生裝置之一實施例示意圖；圖3B與圖3C為圖3A所示結構之AA剖面與BB剖面示意圖。本實施例的校正磁場產生裝置2a主要結構與前述實施例大致上相同，差異在於第一、第二導電板以及導電線圈結構略有不同。在本實施例中，該第一導電板20a係分割成多個第一導電片200，且該等第一導電片200係呈間隔排列，其數量為四個；該第二導電板21a係分割成多個第二導電片210，且該第二導電片210係呈間隔排列，數量為四個。要說明的是，導電片200或210的數量並不以圖中的實施例數量為限制，其可以根據需求而定。該導電線圈22a係由前述的該導線進一步延伸後再環繞該第一導電板20a，以構成具有二圈以上的線圈結構，即該導電線圈22a由該導線環繞該第一導電板21a二圈，且前述的該第一圈鄰近該第一導電板20a，該第二圈位在該第一圈外側。
請參閱圖4所示，該圖為本發明之校正磁場產生裝置另一實施例示意圖。本實施例與前述實施例的差異在於，本實施例之校正磁場產生裝置2b係由兩個校正磁場產生裝置2a組成。兩個校正磁場產生裝置2a，在Z方向具有一間距，在其中間可以放置磁場感測單元置入其中，達到兩軸皆雙平行板和一軸螺線管設計，藉此可以進一步提供更穩定的均勻磁場。要說明的是，雖然圖4中所示的校正磁場產生裝置2a為圖3A的結構，在另一實施例中，也可以為用圖1A所示的結構來實施，或者是圖1A與圖3A的結構組合實施。
請參閱圖5A所示，該圖為本發明之具有自我校正磁場能力的磁場感測器實施例示意圖。在本實施例中，該磁場感測器3具有一電源模組23、一校 正磁場產生裝置2、一磁場感測單元30以及一控制模組31。磁場感測器3可以應用在磁碟的讀取頭、加速儀(accelerometer)、陀螺儀(gyroscope)及測量地磁角度變化的電子羅盤等，可以廣泛應用在儲存設備、智慧裝置、物聯網(IOT；Internet of Things)、汽車零件、設備儀控以及生醫等領域。該電源模組23，用以提供穩定的電流，在一實施例中，可以如圖2所示的架構。該校正磁場產生裝置2與該電源模組23電性連接，該校正磁場產生裝置2，用以產生三維度的校正磁場，該校正磁場產生裝置2可以為圖1A、3A或圖4所示，本實施例係以圖1A所示的結構來說明。該第一導電板20藉由該電源模組所產生的第一電流I1產生已知磁場大小與磁場方向的一第一軸向磁場B1，該第二導電板21藉由該電源模組所產生之第二電流I2產生與該第一軸向正交或接近正交之已知磁場大小與磁場方向的一第二軸向磁場B2，該導電線圈22，藉由一第三電流I3產生與該第一與第二軸向正交或接近正交的已知磁場大小與方向的一第三軸向磁場B3。
請同時參閱圖5A與圖6所示，該磁場感測單元30，設置於該第一導電板20之一側，該磁場感測單元30根據該第一軸向磁場、第二軸向磁場以及該第三軸向磁場產生相應的感測資訊。該磁場感測單元30係可以為霍爾效應(Hall effect)磁場感測器、異向磁阻(Anisotropic magnetoresistance,AMR)感測器、巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)感測器、穿隧磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance,TMR)感測器、或者是通量閘(flux gate)感測器等磁性感測元件。由於該校正磁場產生裝置2接近磁場感測單元30，因此可以提供一已知磁場大小與方向之接近均勻場，因此磁場感測單元30可以透過偵測磁場以取得相應的感測資訊。
該控制模組31與該磁場感測單元30電性連接，以接收該感測資訊 並將相應每一軸向磁場的感測資訊與該軸向的已知磁場強度進行比較，以決定對應每一軸向磁場的校正資訊。於本實施例中，校正磁場產生裝置2、磁場感測單元30以及控制模組31可以利用一積體電路製程製作成一個積體電路(IC)。在本實施例中，該三維座標系包括相互垂直的一第一軸向(X軸)、一第二軸向(Y軸)及一第三軸向(Z軸)。要說明的是，雖然前述的實施例是將校正磁場產生裝置2、磁場感測單元30以及控制模組31可以利用一積體電路製程製作成一個積體電路(IC)，但實際上並不以此為限制，例如：該控制模組31可以為外部的運算處理元件或裝置，例如：筆記型電腦或桌上型電腦等，接收來自磁場感測單元所感測到的資訊。
進一步的，請參考圖5B所示，於本實施例中，基本上與圖5A相似，差異的是增加溫度感測單元32，該溫度感測單元32與該控制模組31電性連接，該溫度感測單元32用以感測磁場感測器的溫度或溫度變化資訊，其溫度或溫度變化資訊可包括磁場感測器運作時內部的溫度變化以及外部環境的溫度等，或其組合。感測到的溫度或溫度變化資訊傳送給該控制模組31。該校正磁場產生裝置2產生均勻的校正磁場，該磁場感測單元30感測該均勻磁場，並且將感測到的資訊經傳送給該控制模組31處理。於本實施例中，校正磁場產生裝置2、磁場感測單元30、溫度感測單元32以及控制模組31可以利用一積體電路製程製作成一個積體電路(IC)。要說明的是，雖然前述的實施例是將校正磁場產生裝置2、磁場感測單元30、溫度感測單元32以及控制模組31可以利用一積體電路製程製作成一個積體電路(IC)，但實際上並不以此為限制，例如：該控制模組31可以為外部的運算處理元件或裝置，例如：筆記型電腦或桌上型電腦等，接收來自磁場感測單元所感測到的資訊。
請參閱圖7所示，該圖為本發明之磁場校準方法實施例流程示意圖。在本實施例中，該磁場校準方法4包括有以下的步驟。首先進行步驟40提供內建有一校正磁場產生裝置之一磁場感測器，其係具有一磁場感測單元。在本步驟中，該磁場感測器可以選擇前述圖5A所示的磁場感測器3，而圖5A的磁場感測器則可以使用圖1A、圖3A或圖4所示的校正磁場產生裝置2、2a或2b。然後進行步驟41，啟動適應性自我校正程序。要說明的是，由於磁場感測器3可以被設置在應用裝置內，例如：智慧型手持裝置，或量測裝置等。因此在一實施例中，其啟動的時機，可以為應用裝置開機時、每次要使用或量測前、開啟應用程式時、或溫度或磁場較大變化時。啟動步驟41之程序之後，接著進行步驟42，以該校正磁場產生裝置2依序產生已知磁場強度且磁場方向相互正交或接近正交的三個不同軸向之磁場。在步驟42中，可以透過如圖2所示的電源模組23以依序提供校正磁場感產生裝置2定電流，例如：以第一定電流I1係沿該第二軸向(Y軸)的正方向流入該第一導電板20，可在該第一軸向(X軸)上產生該均勻磁場B1，該第二定電流I2係朝該第一軸向(X軸)的負方向流入該第二導電板21，可在該第二軸向(Y軸)上產生該均勻磁場B2，該第三定電流I3係沿該導電線圈22流動，可在該第三軸向(Z軸)上產生該均勻磁場B3。
接著進行步驟43，使該磁場感測單元30分別對該三個不同軸向之磁場進行感測，以分別產生相對應的一感測資訊。步驟42與43在一具體的實施例中，可以透過以下流程來進行，首先以第一定電流I1係沿該第二軸向(Y軸)的正方向流入該第一導電板20，以在該第一軸向(X軸)上產生該均勻磁場B1。然後使該磁場感測單元改測該磁場B1。接著在電源模組切換供應第二定電流I2係朝該第一軸向(X軸)的負方向流入該第二導電板21，可在該第二軸向(Y軸)上產生該均勻磁場B2。然後使該磁場感測單元改測該磁場B2。最後，電源模組再切換供應第三定電流I3係沿該導電線圈22流動，以在該第三軸向(Z軸)上產生該均勻 磁場B3。然後使該磁場感測單元改測該磁場B3。此外要說明的是，在另一實施例中，步驟42-43也可以電源模組同時提供三個方向的電流，使得該校正磁場產生裝置同時產生三軸向的磁場，使得磁場感測單元30產生對應三個軸向的磁場感測資訊。
步驟42~43之後，進行步驟44，根據每一軸向之該感測資訊與相對應軸向的已知磁場強度進行比較以計算關於每一軸向磁場變化率的量測資訊。在一實施例中，該量測資訊包括有每一軸向的磁場感測靈敏度資訊(已知磁場強度和感測到的磁場強度間的比例)以及跨軸間正交性。跨軸間正交性，代表磁場感測單元每一軸向磁場最大方位角度與校正磁場產生裝置磁場方向的偏移角度。要說明的是，在本步驟中，該磁場感測單元30分別感測不同軸向之均勻磁場後，再將感測到的數據、資訊傳送到該控制模組31或者是外部的運算處理裝置進行處理，而當電流反向時，就可得到兩倍變化量，得到更精準的結果，是故在電源模組23所供應的定電流正反方向應用，並無一定之限制。
由於校正磁場產生裝置2所產生的校正磁場是已知磁場強度且每一軸向相互正交或接近正交的均勻磁場，因此當磁場感測單元對每一軸所感測到的磁場強度，Bs1(對應校正磁場X軸向磁場B1)、Bs2(對應校正磁場Y軸向B2)以及Bs3(對應校正磁場Z軸向B3)，因此當控制模組31取得了Bs1、Bs2與Bs3之後，就可以和已知的B1、B2與B3進行演算，以得到關於每一軸向磁場變化率的量測資訊。
請參閱圖8所示，該圖為本發明之磁場校準方法另一實施例流程示意圖。在本實施例中，該磁場校準方法4a基本上與圖7的流程相似，差異的是本實施例的磁性感測器為使用前述圖5B的架構，也就是在該磁性感測器內具有一溫度感測單元32，可以進行根據溫度或溫度之變化，將溫度影響對量測的磁場進行修正。因為磁場感測單元，例如：磁阻感測器，會因為溫度變化而會有感 測輸出的變化，因此可以是先對磁場感測單元在溫度變化下的環境所感測的輸出資訊進行資料庫的建立。然後在圖8所示的流程中，於量測磁場時，可以同步進行步驟46讀取溫度感測單元的感測訊號，然後於步驟44之後，進行步驟45將溫度變化對量測的磁場進行修正以得到具有溫度修正的校正磁場感測資訊。
要說明的是，當置入一溫度感測單元32時，可於每次量測前讀取當時溫度，提供判斷是否要重新開啟適應性自我校正程序，以減少適應性自我校正程序時間，提高輸出頻率，或者於開始使用時開啟一次性的適應性自我校正程序並記錄初始溫度，其後觀察溫度變化，直接帶入修正溫度相關的靈敏度公式，以達到最高輸出頻率，如此也可大幅提高應用的方便性，應付溫度變化較大狀況。或當使用電子羅盤應用時，同時三軸磁場感測單元，其三軸靈敏度隨溫度變化一致時，也可忽略溫度變化，角度能然準確。
請參閱圖9A與圖9B所示，該圖分別為本發明之磁場校準方法不同實施例流程示意圖。圖9A的流程基本上與圖7的流程相似，差異的是，本流程更包括有步驟40a設定校正磁場產生裝置產生之磁場方向以及正負磁場之步驟。同樣地，圖9B的流程基本上與圖8的流程相似，差異的是，本流程更包括有步驟40a設定校正磁場產生裝置產生之磁場方向以及正負磁場之步驟。要說明的是，在一實施例中，前述的步驟40a中，設定校正磁場產生裝置對於每一軸向(X,Y與Z)所產生的磁場大小可以透過供應的定電流值大小來改變磁場大小。而控制設定電流流向，則可以改變磁場之正負方向。要說明的是，而當電流經過正、反向時，就可得到兩倍變化量，得到更精準的結果，同樣的也可變化電流大小或使用不同電流檔位，提高實際應用範圍的精準度，故正負電流及大小可產生不同磁場，以利應用範圍，此設計不在此限。
透過圖7-8與圖9A-9B所示的校正流程校正後的磁場感測器，透過取得的校正資訊，包括每一軸向的磁場感測靈敏度資訊及一跨軸正交性資訊， 可以在實際應用量測時，對量測的磁場資訊進行補正，以隨時保持量測磁場的準確性。
請參閱圖10所示，該圖為本發明之磁場校準方法又一實施例流程示意圖。在本實施例中，為磁場感測器的一個綜合應的應用。該磁場感測器具有校正磁場產生裝置、磁場感測單元以及溫度感測單元。磁場感測器設置在一應用裝置，例如：智慧型手持裝置，如：如手機或平板電腦。該校準方法5，包括有首先進行步驟500，啟動一觸發事件，該觸發事件為開啟設置有磁場感測器的應用裝置、開啟關聯於該磁場感測器的應用程式或者是溫度偵測到變化。當有觸發事件之後，接著進行步驟501啟動自我校正程序。開始自我校正程序之後，首先以步驟502先取得溫度或溫度變化的資訊，以決定對磁場影響的參數。本步驟中，可以透過讀取溫度感測單元的感測資訊，並且利用該感測資訊修正磁場靈敏度隨溫度改變之變化量。
步驟502之後，進行步驟503設定校正磁場資訊，包括有設定磁場方向(X、Y與Z)，以及設定正負磁場。在一實施例中，可以先設定X軸向的磁場，例如先設定X軸向的正磁場。然後進行步驟504根據步驟503的設定產生X方向的校正磁場。之後進行步驟505量測三軸方向的磁場訊號。量測完畢之後，到步驟506，因為X軸向的負方向的磁場尚未量測，所以再回到步驟503將X軸向的磁場設定為負方向，再重複進行步驟504與505。當完成一個軸向的磁場量測之後，以步驟507計算該軸向的磁場的校正資訊，其係包括有該軸向的磁場感測靈敏度資訊及一跨軸正交性資訊。例如：以本實施例為例，因為設定的軸向為X軸向且為已知的磁場大小，因此當測到的資訊理論上來說應該是(Bx,0,0)。但是由於會有環境磁場的影響或前述諸多會影響磁場的情況產生，因此量測到的感測資訊可能會為(Bx,by,bz)，其中by與bz代表在Y軸向與Z軸向上的靈敏度變化與跨軸正交性資訊。
同樣的道理，在X軸量測完畢之後，根據步驟508判斷是否XYZ三軸向都已經量測完畢，如果還沒有就再回到步驟503設定另外一軸，例如Y軸或Z軸，然後重複前述503~508的步驟，直到XYZ三軸向的校正磁場資訊都已經量測完畢。之後，進行步驟509，結束自我校正程序。接著進行步驟510，其係代表實際應用時對磁場進行量測之後，根據步驟502的溫度影響以及步驟507所取得的每一軸校正資訊，對每一次實際感測到的磁場讀值進行修正。如此，可以確保每一次的磁場感測的準確度，避免磁場感測器的感測能力受到各種環境的影響。
而在步驟511~514代表對磁場感測器的動態校正程序。也就是說當啟動了動態校正，可以判斷感測是否有異狀，如果有，則隨時進行自我校正程序。在一實施例中，以步驟511啟動了動態校正程序，例如：設定校正的週期。然後再以步驟512判斷是否週期時間到了，如果到的話，則步驟回到前述步驟501開啟自我校正程序。如果沒有的到的話，則會以步驟513記錄量測的數次與相應的量測結果，然後以步驟514判斷這些量測結果是否有異常，如果有，即使尚未到周期時間，也會主動地以步驟201重新開啟自我校正程序。反之，如果沒有，則回到步驟510繼續進行正常感測以及以先前校正資訊進行修正磁場感測值的程序。
綜合上述，透過本發明的校正磁場感測裝置與自我校正的磁場校準方法，不僅在磁場感測器出廠前可以進行校正，在出廠之後，磁場感測器的任何情境之下，隨時都可以根據需求與設定進行自我校正程序，以提升該磁場感測單元感測磁場資訊的精準度，減少誤差。因此，本發明可以解決需要透過改善製造程序才能提升量測準確性所帶來成本增加的問題，藉此達到提升量測準確性及降低成本的目的，並且使該磁場感測器更加可靠、耐用。
例如：如圖11所示，該圖為正常之磁阻感測器的感測曲線示意圖。正常來說，一般磁性感測單元，例如：磁阻感測器，的感測磁場強度與輸出的電壓或電流關係曲線如圖11所示的曲線90，經過線性回歸之後取得的線性回歸線為標號91的直線。從中可以看出，一般磁性感測單元(磁阻感測器)可以用的量測區間大概就是圖11中所示的區域D的線性範圍。因為超過該線性範圍之後，量測到的電壓或電流和所對應的感測磁場關係就不再是線性關係，其誤差，隨著磁場的大小而有變化。因此圖11中的區域D可以視為一般磁阻感測器可以用的感測區間。
然而將磁性感測單元(磁阻感測器)與本發明的校正磁場產生裝置整合在一起所形成的磁場感測器，可以隨時進行自我校正的機能。即使在不具有線性的條件下，例如：圖11中所示的區域D’，只要透過前述的自我校準方法，找到該環境下的校正資訊，就可以該環境下的磁場為基準，建立新的感測基礎，使得該磁場感測器，可以在會影響感測精度的環境下，例如：溫度、或者是其週邊電子元件所產生的磁場的環境，或者是因為使用時間而造成感測能力退化(aging)的情境，仍可以正常使用。
以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
2:校正磁場產生裝置
20:第一導電板
21:第二導電板
22:導電線圈
I1:第一定電流
I2:第二定電流
I3:第三定電流
B1、B2、B3:磁場

Claims (17)

  1. 一種校正磁場產生裝置，用以產生三維度的校正磁場，包括：一第一導電板，藉由一第一電流產生已知磁場大小的一第一軸向磁場；一第二導電板，平行或接***行設置在該第一導電板之一側，該第二導電板藉由一第二電流產生與該第一軸向正交或接近正交之已知磁場大小的一第二軸向磁場；以及一導電線圈，環設於該第一與第二導電板之周圍，藉由一第三電流產生與該第一與第二軸向正交或接近正交的已知磁場大小的一第三軸向磁場。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之校正磁場產生裝置，包括有一電源模組，其係更具有：一電源；以及一多工器，與該電源以及該第一導電板、第二導電板以及該導電線圈電性連接，該多工器用以根據一控制訊號切換該電源與該第一導電板、第二導電板或該導電線圈電性連接，使該電源分別提供該第一、第二與第三電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之校正磁場產生裝置，其中該第一電流具有一第一流向以及該第二電流具有與該第一流向相互正交或接近正交的一第二流向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之校正磁場產生裝置，其中該導電線圈由一導線構成，其係繞設在第一與該第二導電板周邊以構成至少一圈，該導電線圈具有一垂直軸向，其方向與該第一流向以及該第二流向相互正交或接近正交。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之校正磁場產生裝置，其中該第一導電板更具有複數個第一導電片，其係相互並列，其中相鄰第一導電片之間具有一間隔。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之校正磁場產生裝置，其中該第二導電板更具有複數個第二導電片，其係相互並列，其中相鄰第二導電片之間具有一間隔。
  7. 一種具有自我校正磁場能力的磁場感測器，包括：一第一校正磁場產生裝置，用以產生三維度的校正磁場，該校正磁場產生裝置包括有一第一導電板、一第二導電板以及一導電線圈，該第一導電板藉由一第一電流產生已知磁場大小的一第一軸向磁場，該第二導電板，平行或接***行設置在該第一導電板之一側，該第二導電板藉由一第二電流產生與該第一軸向正交或接近正交之已知磁場大小的一第二軸向磁場，該導電線圈，環設於該第一與第二導電板之周圍，藉由一第三電流產生與該第一與第二軸向正交或接近正交的已知磁場大小的一第三軸向磁場；以及一磁場感測單元，設置於該第一導電板之一側，該磁場感測單元根據該第一軸向磁場、第二軸向磁場以及該第三軸向磁場產生相應的感測資訊；一控制模組，與該磁場感測單元電性連接，以接收該感測資訊並將相應每一軸向磁場的感測資訊與該軸向的已知磁場強度進行比較，以決定對應每一軸向磁場的一軸磁場感測靈敏度資訊及一跨軸正交性資訊。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，包括有一電源模組，其係更具有：一電源；以及 一多工器，與該電源以及該第一導電板、第二導電板以及該導電線圈電性連接，該多工器用以根據一控制訊號切換該電源與該第一導電板、第二導電板或該導電線圈電性連接，使該電源分別提供該第一、第二與第三電流。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其中該第一電流具有一第一流向以及該第二電流具有與該第一流向相互正交或接近正交的一第二流向。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其中該導電線圈由一導線構成，其係繞設在第一與該第二導電板周邊以構成至少一圈，該導電線圈具有一垂直軸向，其方向與該第一流向以及該第二流向相互正交或接近正交。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其中該第一導電板更具有複數個第一導電片，其係相互並列，其中相鄰第一導電片之間具有一間隔。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其中該第二導電板更具有複數個第二導電片，其係相互並列，其中相鄰第二導電片之間具有一間隔。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其係更具有一第二校正磁場產生裝置，於設置於該第一校正磁場產生裝置之一側，使該磁場感測單元位於該第一與第二校正磁場產生裝置之間。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之具有自我校正磁場能力的磁場感測器，其係更具有一溫度感測單元。
  15. 一種磁場校準方法，用以進行一自我校正程序，其係包括有下列步驟：提供內建有一校正磁場產生裝置之一磁場感測器，其係具有一磁場感測單元；以該校正磁場產生裝置產生已知磁場強度且磁場方向相互正交或接近正交的三個不同軸向之磁場；使該磁場感測單元分別對該三個不同軸向之磁場進行感測，以分別產生相對應的一感測資訊；以及根據每一軸向之該感測資訊與相對應軸向的已知磁場強度進行比較以決定對應每一軸向之一軸磁場感測靈敏度資訊及一跨軸正交性資訊。
  16. 如請求項15所述之磁場校準方法，其係更包括有根據一觸發事件啟動該自我校正程序之步驟。
  17. 如請求項16所述之磁場校準方法，其該觸發事件為開啟設置有磁場感測器的應用裝置、開啟關聯於該磁場感測器的應用程式或者是溫度偵測到變化。
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