CN108072850B - 磁场感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场感测装置，包括磁场感测轴平行于第一方向的多个第一磁电阻单元、磁场感测轴平行于第二方向的多个第二磁电阻单元及用以量测第三方向的磁场分量的磁感测元件。这些第一与第二磁电阻单元配置于磁感测元件旁，并且在二个不同时间电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向与第五方向的磁场分量，并使这种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号，第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向为第一方向与第二方向的和向量方向，第五方向为第一方向与第二方向的差向量方向。

Description

磁场感测装置

技术领域

本发明涉及一种磁场感测装置，尤其涉及一种可检测三个维度磁场的磁场感测装置。

背景技术

随着可携式电子装置的普及，能够感应地磁方向的电子罗盘的技术便受到重视。当电子罗盘应用于体积小的可携式电子装置(如智能手机)时，电子罗盘除了需符合体积小的需求之外，最好还能够达到三轴的感测，这是因为使用者以手握持手机时，有可能是倾斜地握持，且各种不同的握持角度也都可能产生。此外，电子罗盘也可应用于无人机(drone)(例如遥控飞机、遥控直升机等)上，而此时电子罗盘也最好能够达到三轴的感测。

在现有技术中，一般常利用异向性磁电阻(Anisotropic Magneto-Resistiveresistor,AMR resistor)并通过惠斯登电桥(Wheatstone bridge)架构来进行磁场的感测动作，但是现有技术的磁场感测装置常需要较大的布局面积，造成生产成本的增加。

发明内容

本发明的实施例提供一种磁场感测装置，包括多个第一磁电阻单元、多个第二磁电阻单元及磁感测元件。这些第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向，这些第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向。磁感测元件用以量测第三方向的磁场分量，其中这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元配置于磁感测元件旁，其中，这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元在二个不同时间电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向与第五方向的磁场分量，并使此至少一种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号，第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向为第一方向与第二方向的和向量方向，第五方向为第一方向与第二方向的差向量方向。

在本发明的一实施例中，上述的在二个不同时间的任一个时，此至少一种惠斯登全桥所输出的信号为对应于第四方向及第五方向的其中一个方向的磁场分量的差分信号，此时此至少一种惠斯登全桥所产生的对应于第四方向及第五方向中的另一个方向的磁场分量的差分信号为零。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元分别配置在磁感测元件的相邻两侧。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括多个磁化方向设定元件，分别配置于这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元旁，以分别设定这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元的磁化方向。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括基板，其中磁感测元件、这些第一磁电阻单元、这些第二磁电阻单元与这些磁化方向设定元件配置于基板的表面上，而且这些第一磁电阻单元、这些第二磁电阻单元与这些磁化方向设定元件覆盖在表面的面积与磁感测元件覆盖在表面的面积相互分开。

在本发明的一实施例中，上述的此至少一种惠斯登全桥为一个固定不变的惠斯登全桥的连接方式，这些磁化方向设定元件在二个不同时间分别将这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元的磁化方向设定成二种不同的组合，以使此种惠斯登全桥在二个不同时间分别量测第四方向及第五方向的磁场分量，并分别输出对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻单元中的每一个包括多个第一磁电阻，这些第一磁电阻中的一部分与另一部分分别具有相反的磁化方向，以及这些第二磁电阻单元中的每一个包括多个第二磁电阻，这些第二磁电阻中的一部分与另一部分分别具有相反的磁化方向。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互背向对方，这些第二磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方，这些第二磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻与这些第二磁电阻为具有延伸方向的异向性磁电阻，这些第一磁电阻与这些第二磁电阻的表面各自具有相对于延伸方向倾斜延伸的多个短路棒，其中在这些第一磁电阻与这些第二磁电阻中磁化方向相同的部分磁电阻表面上的这些短路棒的倾斜方向彼此相反。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括一切换电路，电性连接这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元，其中至少一种惠斯登全桥为二种惠斯登全桥，切换电路在二个不同时间分别将这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元电性连接成二种惠斯登全桥，二种惠斯登全桥分别量测第四方向及第五方向的磁场分量，并分别输出对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号。

在本发明的一实施例中，上述的这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元中的每一个包括至少一异向性磁电阻。

在本发明的一实施例中，上述属于这些第一磁电阻单元中的异向性磁电阻的延伸方向平行于第二方向，属于这些第二磁电阻单元中的异向性磁电阻的延伸方向平行于第一方向。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括一基板，其中磁感测元件、这些第一磁电阻单元与这些第二磁电阻单元配置于基板的表面上，且第一方向与第二方向平行于表面，第三方向垂直于表面。

在本发明的一实施例中，上述的基板为半导体基板、玻璃基板或电路基板。

在本发明的一实施例中，上述的第一方向、第二方向及第三方向彼此互相垂直，并且第四方向垂直于第五方向，第四方向与第一方向及第二方向均夹45度。

基于上述，本发明实施例的磁场感测装置，采用磁场感测轴平行于第一方向的多个第一磁电阻单元、磁场感测轴平行于第二方向的多个第二磁电阻单元以及磁感测元件。磁感测元件用以量测第三方向的磁场分量，而这些第一与第二磁电阻单元配置于磁感测元件旁，并且在二个不同时间电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向与第五方向的磁场分量，并使这种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号，其中第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向为第一方向与第二方向的和向量方向，第五方向为第一方向与第二方向的差向量方向。因此，本发明的实施例的磁场感测装置便能够具有简化的结构且同时能实现三维的磁场量测，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点。

为让本发明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1A为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图。

图1B为图1A的磁场感测装置沿着A-A线的剖面示意图。

图2A与图2B是用以说明图1A中的异向性磁电阻的运作原理。

图3A示出本发明一实施例在第一个时间时的一种惠斯登全桥所适用的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。

图3B为图3A的实施例的磁场感测装置在量测第四方向的磁场分量时的等效电路图。

图3C为图3A的实施例的磁场感测装置在量测第五方向的磁场分量时的等效电路图。

图4A示出本发明一实施例在第二个时间时的一种惠斯登全桥所适用的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。

图4B为图4A的实施例的磁场感测装置在量测第四方向的磁场分量时的等效电路图。

图4C为图4A的实施例的磁场感测装置在量测第五方向的磁场分量时的等效电路图。

图5A示出本发明另一实施例的磁场感测装置的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。

图5B与图5C分别为图5A的实施例的磁场感测装置在第一个时间时量测第四方向与第五方向的磁场分量时的等效电路图。

图5D与图5E分别为图5A的实施例的磁场感测装置在第二个时间时量测第四方向与第五方向的磁场分量的等效电路图。

附图标号说明

100、100’、500：磁场感测装置

110：第一磁电阻单元

112、114、116、118：第一磁电阻

120：第二磁电阻单元

122、124、126、128：第二磁电阻

130、132、134、136、138：磁化方向设定元件

150：基板

160：切换电路

210：磁感测元件

212、214：侧面

300：异向性磁电阻

310：短路棒

320：铁磁膜

A-A：线

D1：第一方向

D2：第二方向

D3：第三方向

D4：第四方向

D5：第五方向

D：延伸方向

M：磁化方向

I：电流

H：外在磁场

S：表面

R：电阻值

ΔR：电阻值变化

P1、P2、P3、P4:接点

具体实施方式

图1A与图1B为本发明一实施例的磁场感测装置的概要示意图。图1A为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图，而图1B为图1A的磁场感测装置沿着A-A线的剖面示意图。请参照图1A与图1B，本实施例的磁场感测装置100包括多个第一磁电阻单元110，多个第二磁电阻单元120，多个磁化方向设定元件130，以及磁感测元件210。

在本实施例中，这些第一磁电阻单元110、这些第二磁电阻单元120、这些磁化方向设定元件130与磁感测元件210配置在基板150的表面S上，其中第一磁电阻单元110的磁场感测轴平行于第一方向D1，可感应在第一方向D1上的磁场分量，第二磁电阻单元120的磁场感测轴平行于第二方向D2，可感应在第二方向D2上的磁场分量。这些第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120分别配置在磁感测元件210旁，以图1A所例，第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120分别配置在磁感测元件210的相邻两侧边212、214。

磁化方向设定元件130分别配置在第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120旁边，以分别设定第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120的磁化方向。磁化方向设定元件130可以选择配置在第一磁电阻单元110或第二磁电阻单元120旁边、上方、下方或是上述位置的组合，本发明对此不加以限制。

在其他实施例中，磁化方向设定元件130也可以选择不配置在基板150的表面S上，而在是基板150中，本领域技术人员可依据实际需求与设计作适当变化，本发明对此并不加以限制。基板150例如为半导体基板(如硅基板)、玻璃基板或电路基板，其中电路基板例如为设有导电线路且表面覆盖有绝缘层的硅基板，本发明对此并不限制，本领域技术人员可依据现有技术作适当选择。

磁感测元件210是用以量测第三方向D3的磁场分量，第三方向D3则例如是垂直表面S的方向。在本实施例中，第一方向D1与第二方向D2是平行于表面S的方向，且第一方向D1、第二方向D2与第三方向D3彼此互相垂直，如图1A与图1B所示的直角坐标系。

在本实施例中，磁感测元件210例如是由异向性磁电阻(anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)、巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)多层膜结构(或穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)多层膜结构)或是霍尔元件(Hallelement)等具有类似功能的磁感测元件或是上述组合所构成，本发明对此并不限制。此外，附图中磁感测元件210的形状跟尺寸仅作为示例，本发明对此并不加以限制。

此外，在本实施例中，第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120分别包括至少一异向性磁电阻。图2A与图2B是用以说明图1A中的异向性磁电阻的运作原理。请先参照图2A，异向性磁电阻300具有理发店招牌(barber pole)状结构，也即其表面设有相对于异向性磁电阻300的延伸方向D倾斜45度延伸的多个短路棒(electrical shorting bar)310，这些短路棒310彼此相间隔且平行地设置于铁磁膜(ferromagnetic film)320上，而铁磁膜320为异向性磁电阻300的主体，其延伸方向即为异向性磁电阻300的延伸方向D。此外，铁磁膜320的相对两端可制作成尖端状。

异向性磁电阻300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，其中磁化方向设定元件130例如是可以通过通电产生磁场的线圈、导线、金属片或导体。在图2A中，磁化方向设定元件130可通过通电产生沿着延伸方向D的磁场，以使异向性磁电阻300具有磁化方向M。

接着，磁化方向设定元件130不通电，以使异向性磁电阻300开始量测外在磁场H。当没有外在磁场H时，异向性磁电阻300的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时施加一电流I，使电流I从异向性磁电阻300的左端流往右端，则短路棒310附近的电流I的流向会与短路棒310的延伸方向垂直，而使得短路棒310附近的电流I流向与磁化方向M夹45度，此时异向性磁电阻300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，异向性磁电阻300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，此时异向性磁电阻300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2B所示，当图2B的短路棒310的延伸方向设于与图2A的短路棒310的延伸方向夹90度的方向时(此时图2B的短路棒310的延伸方向仍与异向性磁电阻300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310附近的电流I流向的夹角会小于45度，如此异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR，也即异向性磁电阻300的电阻值变大。

此外，通过磁化方向设定元件130将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图2A所示的反向时，之后在外在磁场H下的图2A的异向性磁电阻300的电阻值会变成R+ΔR。再者，通过磁化方向设定元件130将异向性磁电阻300的磁化方向M设定为图2B所示的反向时，之后在外在磁场H下的图2B的异向性磁电阻300的电阻值会变成R-ΔR。

综合上述可知，当短路棒310的设置方向改变时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之，且当磁化方向设定元件130所设定的磁化方向M改变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。当外在磁场H的方向变为反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化会从+ΔR变为-ΔR或反之。然而，当通过异向性磁电阻300的电流I变成反向时，异向性磁电阻300的电阻值R对应于外在磁场H的变化则维持与原来相同正负号，即原本若为+ΔR，改变电流方向后仍为+ΔR，若原本为-ΔR，改变电流方向后仍为-ΔR。

依照上述的原则，便可通过设计短路棒310的延伸方向D或磁化方向设定元件130所设定的磁化方向M来决定当异向性磁电阻300受到外在磁场H的某一分量时，异向性磁电阻300的电阻值R的变化方向，即电阻值R变大或变小，例如变化量是+ΔR或-ΔR。

请参照图3A至图4B，图3A与图4A分别示出本发明一实施例在不同时间的磁场感测装置的示意图。在本实施例中的磁场感测装置100’中，这些磁电阻单元(包括第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120)在二个不同时间电性连接成至少一种惠斯登全桥(在本实施例中例如是图3A至图3C的第一种惠斯登全桥及图4A至图4C的第二种惠斯登全桥)，以分别量测二个不同方向(即第四方向D4及第五方向D5)的磁场分量，并使此至少一种惠斯登全桥(例如是前述二种惠斯登全桥)输出分别对应于二个不同方向(如第四方向D4及第五方向D5)的磁场分量的二个信号。

在本实施例中，第一方向D1、第二方向D2、第三方向D3、第四方向D4及第五方向D5彼此不同，第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3彼此互相垂直，第四方向D4为第一方向D1与第二方向D2的和向量方向，第五方向D5为第一方向D1与第二方向D2的差向量方向。具体来说，第一方向D1与第二方向D2平行于表面S，第三方向D3垂直表面S，第四方向D4与第五方向D5也平行于表面S，并且第四方向D4垂直于第五方向D5，第四方向D4与第一方向D1及第二方向D2均夹45度角，第五方向D5与第二方向D2夹45度角，并且与第一方向D1的反向方向夹45度角。在其他实施例中，上述三个不同方向D1、D2、D3并不一定要彼此互相垂直，也可以有至少两个方向彼此不垂直。

具体来说，在本实施例中，这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120中的每一个包括至少一异向性磁电阻。第一磁感测单元110中包括多个具有电阻值R的第一磁电阻112、114、116、118。第二磁感测单元120中包括多个具有电阻值R的第二磁电阻122、124、126、128。上述的这些第一磁电阻112、114、116、118与这些第二磁电阻122、124、126、128例如是图2A与图2B所示的具有延伸方向D的异向性磁电阻300或是多个异向性磁电阻300的组合，这些异向性磁电阻300的表面各自具有相对于延伸方向D倾斜延伸的多个短路棒310。

属于第一磁电阻单元110的异向性磁电阻300的延伸方向D可以平行于第二方向D2，或是平行于磁感测元件210的侧面212，且平行于表面S。属于第二磁电阻单元120中的异向性磁电阻300的延伸方向D可以平行于第一方向D1，或是平行于磁感测元件210的侧面214，且也平行于表面S。

上述这些第一磁电阻112、114、116、118与第二磁电阻122、124、126、128之间可以利用导线连接异向性磁电阻300的尖端以产生电性连接。

磁化方向设定元件132覆盖第一磁电阻112、114，磁化方向设定元件134覆盖第一磁电阻116、118，以分别设定第一磁电阻112、114与第一磁电阻116、118的磁化方向，磁化方向设定元件136覆盖第二磁电阻122、124以设定第二磁电阻122、124的磁化方向，磁化方向设定元件138覆盖第二磁电阻126、128以设定第二磁电阻126、128的磁化方向。其中，这些第一磁电阻112、114、116、118与这些第二磁电阻122、124、126、128中被磁化方向设定元件130设定成相同磁化方向的部分磁电阻表面上的这些短路棒310的倾斜方向彼此相反。

需注意的是，这些第一磁电阻单元110、这些第二磁电阻单元120与这些磁化方向设定元件130覆盖在表面S的面积与磁感测元件210覆盖在表面S的面积相互分开。也就是说磁感测元件210在表面S的所覆盖的面积与第一磁电阻单元110、第二磁电阻单元120及磁化方向设定元件130在表面S的所覆盖的面积均不重叠。

本实施例中，上述的至少一种惠斯登全桥在二个不同时间其中一个时(例如第一个时间或第二个时间)为一个固定不变的惠斯登全桥的连接方式，这些磁化方向设定元件130在上述二个不同时间分别将这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的磁化方向设定成二种不同的组合(例如是图3A至图3C的第一种惠斯登全桥及图4A至图4C的第二种惠斯登全桥)，以使这种惠斯登全桥在二个不同时间分别量测第四方向D4及第五方向D5的磁场分量，并分别输出对应于第四方向D4及第五方向D5的磁场分量的二个信号。详细的实施方式说明如下。

在上述的二个不同时间中的第一个时间时，请参照图3A，图3A示出本发明一实施例在第一个时间时的一种惠斯登全桥所适用的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。第一磁电阻112、114被磁化方向设定元件132设定为磁化方向指向第二方向D2的正向方向，第一磁电阻116、118被磁化方向设定元件134设定为磁化方向指向第二方向D2的反向方向，也就是说这些第一磁电阻中的一部分(第一磁电阻112、114)与另一部分(第一磁电阻116、118)的磁化方向被设定为相互背向对方。第二磁电阻122、124被磁化方向设定元件136设定为磁化方向指向第一方向D1的正向方向，第二磁电阻126、128被磁化方向设定元件138设定为磁化方向指向第一方向D1的反向方向，也就是说这些第二磁电阻中的一部分(第二磁电阻122、124)与另一部分(第二磁电阻126、128)的磁化方向被设定为相互指向对方。

具有相同磁化方向(同样被磁化方向设定元件132所覆盖)但属于不同的第一磁电阻单元110的第一磁电阻112与第一磁电阻114表面上的短路棒310的倾斜方向彼此相反，具有相同磁化方向(同样被磁化方向设定元件134所覆盖)但分属于不同的第一磁电阻单元110的第一磁电阻116与第一磁电阻118表面上的短路棒310的倾斜方向也彼此相反。具有相同磁化方向(同样被磁化方向设定元件136所覆盖)但分属于不同的第二磁电阻单元120的第二磁电阻122与第二磁电阻124表面上的短路棒310的倾斜方向彼此相反，具有相同磁化方向(同样被磁化方向设定元件138所覆盖)但分属于不同的第二磁电阻单元120的第二磁电阻126与第二磁电阻128表面上的短路棒310的倾斜方向也彼此相反。

特别说明的是，属于同一个第一磁电阻单元110的第一磁电阻112、116其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的倾斜方向也不相同，属于同一个第一磁电阻单元110的第一磁电阻114、118其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的倾斜方向也不相同。类似的，属于同一个第二磁电阻单元120的第二磁电阻122、126其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的倾斜方向也不相同，属于同一个第二磁电阻单元120的第二磁电阻124、128其磁化方向不同，而且表面上的短路棒310的倾斜方向也不相同。但这些第一磁电阻112、114、116与118中一部分与另一部分具有相反的磁化方向，这些第二磁电阻122、124、126与128中一部分与另一部分也具有相反的磁化方向。

当外在施加磁场是在第四方向D4上，第一磁电阻112、116感应到在第一方向D1上的磁场分量而分别产生+ΔR的电阻值变化，第一磁电阻114、118感应到在第一方向D1上的磁场分量而分别产生-ΔR的电阻值变化，另一方面，第二磁电阻124、128感应到在第二方向D2上的磁场分量而分别产生+ΔR的电阻值变化，而第二磁电阻122、126感应到在第二方向D2上的磁场分量而分别产生-ΔR的电阻值变化。

请参照图3B，图3B为图3A的实施例的磁场感测装置在量测第四方向的磁场分量时的等效电路图。由于如图3A相关段落所描述的设置方式(包括短路棒310的设置方向、第一磁电阻单元110及第二磁电阻单元120的初始磁化方向的设定方向)，接点P1与接点P3、P4之间分别具有+2ΔR及-2ΔR的电阻值变化，接点P2与接点P3、P4之间分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，上述的接点P1、P2、P3、P4例如是电极。如此一来，对接点P1与P2施加一电压差时，例如接点P1接收参考电压VDD，接点P2耦接至地(ground)(或是接点P1与接点P2相反)，接点P3的电压值V1与接点P4的电压值V2之间的电压差可以为输出信号，此输出信号为一差分信号，其大小会对应于在第四方向D4上的磁场分量的大小。因此，通过得知输出信号的大小，便能够推知在第四方向D4上磁场分量的大小。

在另一实施例中，也可以是接点P3接收参考电压VDD，接点P4耦接至地(ground)(或是相反)，而依据接点P1的电压值与接点P2的电压值之间的电压差输出信号。

请参照图3C，图3C为图3A的实施例的磁场感测装置在量测第五方向的磁场分量时的等效电路图。依照图3A所述的磁场感测装置100’的设置方式，当外在施加磁场是在第五方向D5上，第一磁电阻112、116感应到在第一方向D1的相反方向上的磁场分量而分别产生-ΔR的电阻值变化，第一磁电阻114、118感应到在第一方向D1的相反方向上的磁场分量而分别产生+ΔR的电阻值变化，另一方面，第二磁电阻124、128感应到在第二方向D2上的磁场分量而分别产生+ΔR的电阻值变化，而第二磁电阻122、126感应到在第二方向D2上的磁场分量而分别产生-ΔR的电阻值变化。也就是说接点P1与接点P3、P4之间分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，接点P2与接点P3、P4之间的电阻值变化则不变，依旧分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，因此接点P3与P4之间输出对应于第五方向D5的磁场分量的差分信号为0。

在二个不同时间中的第二个时间时，请参照图4A，图4A示出本发明一实施例在第二个时间时的一种惠斯登全桥所适用的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。可参照图3A的相关段落说明，磁场感测装置100’的短路棒设置方向保持不变，但改变磁化方向的设置方向。第一磁电阻112、114被磁化方向设定元件132设定为磁化方向指向第二方向D2的反向方向，第一磁电阻116、118被磁化方向设定元件134设定为磁化方向指向第二方向D2，也就是说这些第一磁电阻中的一部分(第一磁电阻112、114)与另一部分(第一磁电阻116、118)的磁化方向被设定为相互指向对方。第二磁电阻122、124被磁化方向设定元件136设定为磁化方向指向第一方向D1的正向方向，第二磁电阻126、128被磁化方向设定元件138设定为磁化方向指向第一方向D1的反向方向，也就是说这些第二磁电阻中的一部分(第二磁电阻122、124)与另一部分(第二磁电阻126、128)的磁化方向被设定为相互指向对方。这些第一磁电阻112、114、116、118与这些第二磁电阻122、124、126、128中磁化方向相同的部分磁电阻表面上的这些短路棒310的倾斜方向依旧彼此相反。

请参照图4B，图4B为图4A的实施例的磁场感测装置在量测第四方向的磁场分量时的等效电路图。由于如图4A相关段落所描述的设置方式(包括短路棒310的设置方向、第一磁电阻单元110及第二磁电阻单元120的初始磁化方向的设定方向)，接点P1与接点P3、P4之间分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，接点P2与接点P3、P4之间分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，如此一来，对接点P1与P2施加一电压差时，例如接点P1接收参考电压VDD，接点P2耦接至地(ground)，接点P3的电压值V1与接点P4的电压值V2之间的输出差分信号为0。

请参照图4C，图4C为图4A的实施例的磁场感测装置在量测第五方向的磁场分量时的等效电路图。由图3A至图4B相关段落所描述的实施方式(包括短路棒310的设置方向、第一磁电阻单元110及第二磁电阻单元120的初始磁化方向的设定方向与相关的电阻值变化)，接点P1与接点P3、P4之间分别具有+2ΔR及-2ΔR的电阻值变化，接点P2与接点P3、P4之间分别具有-2ΔR及+2ΔR的电阻值变化，如此一来，对接点P1与P2施加一电压差时，接点P3的电压值V1与接点P4的电压值V2之间的输出信号的大小会对应于在第五方向D5上的磁场分量的大小。

本实施例中的磁场感测装置100’在上述的二个不同时间的任一个时(第一个时间与第二个时间)，此至少一种惠斯登全桥(例如是图3A至图3C的第一种惠斯登全桥或图4A至图4C的第二种惠斯登全桥)所输出的信号为对应于第四方向D4及第五方向D5的其中一个方向的磁场分量的差分信号，此时此至少一种惠斯登全桥所产生的对应于第四方向D4及第五方向D5中的另一个方向的磁场分量的差分信号为零。

本实施例中的磁场感测装置100’，在二个不同时间分别通过改变这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120的磁化方向，将之电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向D4与第五方向D5的磁场分量，并使这种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向D4及第五方向D5的磁场分量的二个信号，而磁感测元件210则用以量测第三方向的磁场分量。因此，本实施例的磁场感测装置100’便能够同时能实现三维的磁场量测且具有简化的结构，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点。

请参照图5A，图5A示出本发明另一实施例的磁场感测装置的磁电阻的短路棒设置方向与磁化方向的设置方向的示意图。在图5A的实施例中，还包括一切换电路160(请参照图1B)，切换电路160例如设置在基板150中，并且电性连接这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120。这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120各自形成一个惠斯登半桥结构。通过切换接点P5、P6、P7及P8的连接关系，在二个不同时间分别将这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120电性连接成为二种惠斯登全桥，这二种惠斯登全桥分别量测第四方向D4及第五方向D5的磁场分量，并分别输出对应于第四方向D4及第五方向D5的磁场分量的二个信号，如图5B至图5E所示。上述的接点P5、P6、P7及P8例如是电极。

在二个不同时间中的第一个时间，切换电路160将接点P5连接接点P6，将接点P7连接接点P8，此时的磁场测量装置500的相关实施方式(包括短路棒310的设置方向、第一磁电阻单元110及第二磁电阻单元120的初始磁化方向的设定方向)与电性连接方式与图4A的实施例相似，请参照图5B，图5B为图5A的实施例的磁场感测装置在第一个时间时量测第四方向的磁场分量时的等效电路图。此时对应于第四方向D4的所输出的差分信号为0。

请参照图5C，图5C为图5A的实施例的磁场感测装置在第一个时间时量测第五方向的磁场分量时的等效电路图。感应于第五方向D5的磁场分量，图5C的等效电路输出对应于电压值V1与电压值V2之间的差分信号，藉此量测第五方向D5的磁场分量的大小。具体的实施方式在前述的图4A至图4C的实施例已获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

在二个不同时间中的第二个时间，切换电路160将接点P5连接接点P8，将接点P7连接接点P6，由于短路棒310的设置方向、第一磁电阻单元110及第二磁电阻单元120的初始磁化方向的设定方向没有改变，但是电性连接的关系改变，此时的磁场测量装置500的等效电路请参照图5D与图5E。图5D为本发明另一实施例的磁场感测装置在第二个时间时量测第四方向的磁场分量的等效电路图，感应第四方向D4的磁场分量而输出对应于电压值V1与电压值V2之间的差分信号，通过此差分信号的大小量测第四方向D4的磁场分量的大小。图5E为本发明另一实施例的磁场感测装置在第二个时间时量测第五方向的磁场分量的等效电路图，此时的惠斯登全桥电路感应于第五方向D5的磁场分量所输出的差分信号是0。具体的实施方式在前述的图1A至图5B的实施例已获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

此外，在上述的实施例中，在上述二个不同时间的任一个中，由这些第一磁电阻单元110与第二磁电阻单元120电性连接成的惠斯登全桥的数量为一个。

因此在此实施例中，磁场感测装置500，通过切换电路160在二个不同时间分别将这些第一磁电阻单元110与这些第二磁电阻单元120电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向D4与第五方向D5的磁场分量，并使这种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向D4及第五方向D5的磁场分量的二个信号，而磁感测元件210则用以量测第三方向的磁场分量。因此，磁场感测装置500便能够同时能实现三维的磁场量测且具有简化的结构，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点。

综上所述，本发明实施例的磁场感测装置，采用磁场感测轴平行于第一方向的多个第一磁电阻单元、磁场感测轴平行于第二方向的多个第二磁电阻单元以及磁感测元件。磁感测元件用以量测第三方向的磁场分量，而这些第一与第二磁电阻单元配置于磁感测元件旁，并且在二个不同时间电性连接成至少一种惠斯登全桥，以分别量测第四方向与第五方向的磁场分量，并使这种惠斯登全桥输出分别对应于第四方向及第五方向的磁场分量的二个信号，其中第一方向、第二方向、第三方向、第四方向及第五方向彼此不同，第四方向为第一方向与第二方向的和向量方向，第五方向为第一方向与第二方向的差向量方向。因此，本发明的实施例的磁场感测装置便能够具有简化的结构且同时能实现三维的磁场量测，进而可以具有较小的体积，达到增加应用上的弹性以及降低制作成本的优点

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中加护人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种磁场感测装置，其特征在于，包括：

多个第一磁电阻单元，其中所述多个第一磁电阻单元的磁场感测轴平行于第一方向；

多个第二磁电阻单元，其中所述多个第二磁电阻单元的磁场感测轴平行于第二方向；以及

磁感测元件，用以量测第三方向的磁场分量，其中所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元配置于所述磁感测元件旁，

其中，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元电性连接成至少一种惠斯登全桥，以在二个不同时间分别量测第四方向与第五方向的磁场分量，并使所述至少一种惠斯登全桥输出分别对应于所述第四方向及所述第五方向的磁场分量的二个信号，所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向、所述第四方向及所述第五方向彼此不同，所述第四方向为所述第一方向与所述第二方向的和向量方向，所述第五方向为所述第一方向与所述第二方向的差向量方向。

2.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，在所述二个不同时间中的任一个时间，所述至少一种惠斯登全桥所输出的信号为对应于所述第四方向及所述第五方向的其中一个方向的磁场分量的差分信号，此时所述至少一种惠斯登全桥所产生的对应于所述第四方向及所述第五方向中的另一个方向的磁场分量的差分信号为零。

3.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元分别配置在所述磁感测元件的相邻两侧。

4.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括多个磁化方向设定元件，分别配置于所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元旁，以分别设定所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元的磁化方向。

5.根据权利要求4所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括基板，其中所述磁感测元件、所述多个第一磁电阻单元、所述多个第二磁电阻单元与所述多个磁化方向设定元件配置于所述基板的表面上，而且所述多个第一磁电阻单元、所述多个第二磁电阻单元与所述多个磁化方向设定元件覆盖在所述表面的面积与所述磁感测元件覆盖在所述表面的面积相互分开。

6.根据权利要求4所述的磁场感测装置，其特征在于，所述至少一种惠斯登全桥为一个固定不变的惠斯登全桥的连接方式，所述多个磁化方向设定元件在所述二个不同时间分别将所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元的磁化方向设定成二种不同的组合，以使所述一个固定不变的惠斯登全桥在所述二个不同时间分别量测所述第四方向及所述第五方向的磁场分量，并分别输出对应于所述第四方向及所述第五方向的磁场分量的所述二个信号。

7.根据权利要求4所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻单元中的每一个包括多个第一磁电阻，所述多个第一磁电阻中的一部分与另一部分分别具有相反的磁化方向，以及所述多个第二磁电阻单元中的每一个包括多个第二磁电阻，所述多个第二磁电阻中的一部分与另一部分分别具有相反的磁化方向。

8.根据权利要求7所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互背向对方，所述多个第二磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方。

9.根据权利要求7所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方，所述多个第二磁电阻中的一部分与另一部分的磁化方向被设定为相互指向对方。

10.根据权利要求7所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻与所述多个第二磁电阻为具有延伸方向的异向性磁电阻，所述多个第一磁电阻与所述多个第二磁电阻的表面各自具有相对于所述延伸方向倾斜延伸的多个短路棒，其中在所述多个第一磁电阻与所述多个第二磁电阻中磁化方向相同的部分磁电阻表面上的所述多个短路棒的倾斜方向彼此相反。

11.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括切换电路，电性连接所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元，其中所述至少一种惠斯登全桥为二种惠斯登全桥，所述切换电路在所述二个不同时间分别将所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元电性连接成所述二种惠斯登全桥，所述二种惠斯登全桥分别量测所述第四方向及所述第五方向的磁场分量，并分别输出对应于所述第四方向及所述第五方向的磁场分量的所述二个信号。

12.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元中的每一个包括至少一异向性磁电阻。

13.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，属于所述多个第一磁电阻单元中的异向性磁电阻的延伸方向平行于所述第二方向，属于所述多个第二磁电阻单元中的异向性磁电阻的延伸方向平行于所述第一方向。

14.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括基板，其中所述磁感测元件、所述多个第一磁电阻单元与所述多个第二磁电阻单元配置于所述基板的表面上，且所述第一方向与所述第二方向平行于所述表面，所述第三方向垂直于所述表面。

15.根据权利要求14所述的磁场感测装置，其特征在于，所述基板为半导体基板、玻璃基板或电路基板。

16.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向彼此互相垂直，并且所述第四方向垂直于所述第五方向，所述第四方向与所述第一方向及所述第二方向均夹45度。

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