CN109270474A - 磁场感测元件以及磁场感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁场感测元件，包括基板、多个磁通集中器、多个磁阻传感器以及多个磁化方向设定元件。这些磁通集中器、这些磁阻传感器以及这些磁化方向设定元件设置于基板上。每一磁通集中器的相对两侧设有这些磁阻传感器的至少一部分。每一磁通集中器、这些磁阻传感器的至少一部分以及每一磁化方向设定元件在基板上的正投影区域分别为第一、第二及第三正投影区域。第三正投影区域分别与第一正投影区域以及第二正投影区域至少部分重叠。另，一种磁场感测装置也被提出。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场感测元件以及磁场感测装置。
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。因此，三方向磁场感测装置近年来广泛地应用于各种电子装置中。
然而，在感测磁场的过程中，由于磁滞现象(Hysteresis Phenomenon)的关系，即使外在磁场消失，磁场感测装置中的铁磁材料仍会被原先的外在磁场所影响而会有残磁，而此会导致感测结果的失准。因此，如何解决上述问题，一直是本领域的技术人员所努力的方向。
发明内容
本发明提供一种磁场感测元件以及磁场感测装置，其可以在较小的体积下同时对磁阻传感器以及磁通集中器磁化重置(magnetization resetting)，而可得到准确的感测结果。
本发明的实施例的磁场感测元件包括基板、多个磁通集中器、多个磁阻传感器以及多个磁化方向设定元件。这些磁通集中器、这些磁阻传感器以及这些磁化方向设定元件设置于基板上。每一磁通集中器的相对两侧设有这些磁阻传感器的至少一部分。每一磁通集中器在基板上的正投影区域为第一正投影区域。这些磁阻传感器的至少一部分在基板上的正投影区域为第二正投影区域。每一磁化方向设定元件在基板上的正投影区域为第三正投影区域。第三正投影区域分别与第一正投影区域以及第二正投影区域至少部分重叠。
本发明的实施例的磁场感测装置包括基板以及至少一磁场感测元件。磁场感测元件包括多个第一磁通集中器、多个第一磁阻传感器以及多个第一磁化方向设定元件。这些第一磁通集中器、这些第一磁阻传感器以及这些第一磁化方向设定元件设置于基板上。每一第一磁通集中器的相对两侧设有这些第一磁阻传感器的至少一部分。每一第一磁通集中器在基板上的正投影区域为第一正投影区域。这些第一磁阻传感器的至少一部分在基板上的正投影区域为第二正投影区域。每一第一磁化方向设定元件在基板上的正投影区域为第三正投影区域。第三正投影区域分别与第一正投影区域以及第二正投影区域至少部分重叠。
基于上述，在本发明实施例的磁场感测元件以及磁场感测装置中，其通过将磁化方向设定元件分别与磁阻传感器以及磁通集中器在空间上重叠的设置方式，因此其可同时对磁阻传感器以及磁通集中器重新设定磁化方向，而具有较小的体积，并且可进一步来消除于磁阻传感器以及磁通集中器的残磁，而得到精确的感测结果。此外，本发明实施例的磁场感测元件以及磁场感测装置适用于晶圆级封装(Wafer Level Packaging)技术。
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一种磁场感测装置的上视概要示意图。
图1B为图1A的变形实施例的上视概要示意图。
图2A至图2C是在图1A中剖面R1-R1’的不同实施态样的剖面示意图。
图3A与图3B是用以说明图1A中的异向性磁电阻的不同布局方法的示意图。
图4A与图4B是用以说明图1A中的磁阻传感器与磁通集中器在外在磁场的作用下的示意图。
图5A为在剖面R2-R2’下磁化方向设定元件对磁通集中器设定磁化方向的示意图。
图5B为在剖面R3-R3’下磁化方向设定元件对磁阻传感器设定磁化方向的示意图。
图5C为磁阻传感器以及磁通集中器在方向D2上所测量的磁滞曲线图。
图6A以及图6B分别示出本发明的一实施例在第一时间区间以及第二时间区间的磁阻传感器的桥接方式以及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6C为图6A的实施例的磁场感测元件在量测在方向D3上的磁场分量的等效电路图。
图6D为图6B的实施例的磁场感测元件在量测方向D2上的磁场分量的等效电路图。
图7A以及图7B分别示出本发明的另一实施例在第一时间区间以及第二时间区间的磁阻传感器的桥接方式以及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7C为图7A的实施例的磁场感测元件在量测在方向D3上的磁场分量的等效电路图。
图7D为图7B的实施例的磁场感测元件在量测方向D2上的磁场分量的等效电路图。
图8A至图10A为本发明的不同实施例的磁场感测装置的上视概要示意图。
图8B至图10B分别为图8A至图10A的磁场感测装置的变形实施例的上视概要示意图。
附图标记说明：
1、1’：磁传感器
10、10’、10a～10c、10a’～10c’：磁场感测装置；
100、100a～100c、100a’～100c’、100a”：磁场感测元件；
110、112、114、112a～112c、114a～114c：磁通集中器；
120、121～128、121a～128a、121b～128b、121c～128c：磁阻传感器；
130、132、132a、132b、132c、134、134a、134b、134c：磁化方向设定元件；
140：电流产生器；
150、160、170：绝缘层；
180：切换电路；
D：延伸方向；
D1、D2、D3：方向；
FF：铁磁膜；
FL：磁力线；
FS：第一侧；
Gnd、Gnd1、Gnd2：接地；
H：外在磁场；
I：电流；
M：磁化方向；
P1：第一正投影区域；
P2：第二正投影区域；
P3：第三正投影区域；
P4：第四正投影区域；
P5：第五正投影区域；
R：电阻值；
ΔR：电阻值的变化量；
R1-R1’、R2-R2’、R3-R3’：剖面；
Pa、Pa1、Pa2、Pb、Pb1、Pb2、P1～P8：接点；
S：基板；
SB：短路棒；
SD：感测方向；
SS：第二侧；
S1：表面；
Vdd、Vdd1、Vdd2：参考电压；
Vo1～Vo4：电压值；
WF1：第一惠斯同全桥；
WF2：第二惠斯同全桥；
WH1：第一惠斯同半桥；
WH2：第二惠斯同半桥。
具体实施方式
图1A为本发明的一实施例的一种磁场感测装置的上视概要示意图。图1B为图1A的变形实施例的上视概要示意图。图2A至图2C是在图1A中剖面R1-R1’的不同实施态样的剖面示意图。附图中各元件的形状跟尺寸仅作为示例，本发明对此并不加以限制。
请参照图1A以及图2A，在本发明的实施例中，磁场感测装置10为可感测外在磁场在三轴方向上的磁场分量，其由多个磁场感测元件100所组成(以两个磁场感测元件100a、100b为例)。每一个磁场感测元件100包括基板S、多个磁通集中器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以及绝缘层150、160。在每一磁场感测元件100中例如是包括两个磁通集中器112、114、八个磁阻传感器121～128以及两个磁化方向设定元件132、134，但不以此为限制。附图中元件标号的数字后方的a、b代表的是归属关系，举例来说，130a代表的是磁场感测元件100a的磁化方向设定元件，其他的元件标号以此类推。于下列的段落中会详细地说明上述各元件。
在本发明实施例中所指的磁通集中器110指其能够将磁场的磁力线集中的元件。磁通集中器110的材料例如是具有高导磁率的铁磁材料，其例如为镍铁合金、钴铁或钴铁硼合金、铁氧磁体或其他高导磁率材料，本发明不以此为限。
在本发明实施例中所指的磁阻传感器120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-Resistiveresistor,AMR resistor)、穿隧性磁阻传感器(Tunneling Magnetoresistance,TMR)或巨磁阻传感器GMR(Giant Magnetoresistance,GMR)等具有类似功能的磁感测元件，本发明不以此为限。于本例中，磁阻传感器120为异向性磁阻传感器。
在本发明实施例中所指的磁化方向设定元件130可为通过通电而产生磁场的线圈、导线、金属片或导体中的任一者。
在本发明实施例所指的电流产生器140指用以提供电流的电子元件。
基板S的表面S1为平面，且基板S例如是空白的硅基板(blank silicon)、玻璃基板或具有超大型集成电路(very large scale integrated-circuit,VLSI)或大型集成电路(large scale integrated-circuit,LSI)的硅基板，本发明不以此为限。
绝缘层150、160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，本发明不以此为限。
于以下的段落中会详细地说明本实施例的磁场感测装置10中各元件的配置方式。由于磁场感测元件100a与磁场感测元件100b结构相同，其差异仅设置方式不同，因此以下的段落仅以磁场感测元件100a作为说明。
为了方便说明本例的磁场感测装置10以及磁场感测元件100，上述装置以及元件所处的空间例如是由方向D1、D2、D3所定义的直角坐标系。方向D1与方向D2例如是分别平行于基板S的相邻两边，而方向D3例如是垂直于基板S的表面S1。方向D1、D2、D3两两互为垂直。
请参照图1A，在磁场感测元件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的相对两侧设有这些磁阻传感器120的至少一部分。举例来说，磁阻传感器121a、122a以及磁阻传感器123a、124a分别设置于磁通集中器112a的上下两侧。磁阻传感器125a、126a以及磁阻传感器127a、128a分别设置于磁通集中器的114a的上下两侧。每一磁阻传感器120往方向D1延伸，且这些磁阻传感器121a～128a沿着方向D2排列。磁阻传感器121a～128a的感测方向垂直于延伸方向D1，其感测方向例如是方向D2。每一磁化方向设定元件130往方向D2延伸，且这些磁化方向设定元件132a、134a沿着方向D1排列。电流产生器140设于基板S中，并与磁阻传感器120以及这些磁化方向设定元件130耦接，并用以提供电流至磁阻传感器120或磁化方向设定元件130。
请参照图2A，从磁场感测元件100a的剖面观之，这些磁通集中器110、这些磁阻传感器120、这些磁化方向设定元件130以及绝缘层150、160皆设置于基板S上。磁阻传感器120以及磁化方向设定元件130与基板S耦接。于本例中，这些磁阻传感器120位于同一层。这些磁通集中器110设置于这些磁阻传感器120的上侧，而这些磁化方向设定元件130设置于这些磁阻传感器120的下侧。绝缘层150包覆这些磁阻传感器120以使磁阻传感器120与其他层的电性绝缘。绝缘层160包覆这些磁化方向设定元件130以使磁化方向设定元件130与其他层电性绝缘。这些磁通集中器110设置于绝缘层150上，而暴露于外界。
值得一提的是，磁通集中器110、磁阻传感器120以及磁化方向设定元件130也可以有不同于图2A的设置方式，本领域技术人员可以依据实际需求与设计作出适当变化。请参照图2B以及图2C，其分别示出的两种磁场感测元件100a’、100a”的剖面示意图为图2A的磁场感测元件100a的剖面示意图的变化型态，两者的上视图的排列型态皆与图1A的磁场感测元件100a具有相同的上视图排列型态。于以下段落中仅对剖面的差异部分叙述。
请参照图2B，相较于磁场感测元件100a，磁场感测元件100a’还包括绝缘层170。于本例中，这些磁通集中器110设置于这些磁阻传感器120的下侧，且内埋于基板S。这些磁化方向设定元件130设置于这些磁阻传感器120的上侧。绝缘层170则设置于绝缘层150与基板S之间以使磁通集中器110与其他层的元件电性绝缘。
请参照图2C，相较于磁场感测元件100a，在磁场感测元件100a”中，这些磁通集中器110以及这些磁化方向设定元件130皆设置于这些磁阻传感器120的下侧。这些磁通集中器110内埋于基板S。绝缘层170则设置于绝缘层150与基板S之间。
请同时参照图1A、图2A至图2C，每一磁通集中器110在基板S上的正投影区域为第一正投影区域P1。这些磁阻传感器120的至少一部分在基板S上为第二正投影区域P2。每一磁化方向设定元件130在基板S上的正投影区域为第三正投影区域P3。第三正投影区域P3分别与第一正投影区域P1以及第二正投影区域P2至少部分重叠。详细来说，磁化方向设定元件132a的正投影区域P3分别与这磁通集中器112a、114a的正投影区域P1以及些磁阻传感器121a～128a的至少一部分122a、124a、126a、128a的正投影区域P2的至少部分重叠。磁化方向设定元件134a的正投影区域P3分别与这磁通集中器112a、114a的正投影区域P1以及些磁阻传感器121a～128a的至少一部分121a、123a、125a、127a的正投影区域P2的至少部分重叠。并且，于本例中，所述些第一正投影区域P1不与所述些第二正投影区域P2重叠。也就是说，所述些第一正投影区域P1与所述些第二正投影区域P2彼此错开。
另一方面，磁场感测元件100b的元件构成类似于磁场感测元件100a的元件构成，其主要差异在于设置方式的不同：举例来说，磁场感测元件100b的设置方式等效于磁场感测元件100a以逆时针旋转90度方向设置。其他的说明可参照磁场感测元件100a说明并参照附图而可类推，于此不再赘述。
于以下段落中会详细说明磁场感测元件100a中各元件的工作原理。
图3A与图3B是用以说明图1A中的异向性磁阻传感器的不同布局方法的示意图。
请参照图3A以及图3B，异向性磁阻传感器120例如是具有理发店招牌(barberpole)状结构，也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)。
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，也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2B的异向性磁阻传感器120的电阻值会变成R-ΔR。
综合上述可知，当短路棒SB的设置方向改变时，异向性磁阻传感器120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，异向性磁阻传感器120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，异向性磁阻传感器120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，当通过异向性磁阻传感器120的电流I变成反向时，异向性磁阻传感器120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SB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来决定当异向性磁阻传感器120受到外在磁场H的某一分量时，异向性磁阻传感器120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。
图4A与图4B用以说明图1A中的磁阻传感器与磁通集中器在外在磁场的作用下的示意图。于此处以通过剖面R1-R1’磁阻传感器与磁通集中器为范例作为说明，其他部分以此类推，于此不在赘述。
请参照图4A，当平行于方向D3的外在磁场H施于磁场感测元件100a时，磁力线FL因磁通集中器110相对于空气的高导磁率(permeability)会由磁通集中器110的左右两侧往磁通集中器110的方向集中。磁力线FL因而会有类似于弯曲的现象产生。弯曲的外在磁场H会对设置于磁通集中器110的相对两侧的磁阻传感器120(以127a、125a为例)产生在两个方向相对的磁场分量(如图中黑色箭头所示)。通过减法，弯曲的外在磁场H在方向D3的磁场分量(未示出)大小的相关信号即可得到，而弯曲的外在磁场H在方向D2的磁场分量大小的相关信号则可被相消。
请参照图4B，当外在磁场H以方向D2施于磁场感测元件100a时，磁力线FL会由磁通集中器110的上下两侧往磁通集中器110的方向集中。弯曲的外在磁场H会对设置于磁通集中器110的相对两侧的磁阻传感器120(以127a、125a为例)产生两个方向相同的磁场(如图中黑色箭头所示)。通过加法，弯曲的外在磁场H在方向D3的磁场分量(未示出)大小的相关信号则可被相消，而弯曲的外在磁场H在方向D2的磁场分量大小即可得到。
图5A为在剖面R2-R2’下磁化方向设定元件对磁通集中器设定磁化方向的示意图。图5B为在剖面R3-R3’下磁化方向设定元件对磁阻传感器设定磁化方向的示意图。图5C为磁阻传感器以及磁通集中器在方向D2上所测量的磁滞曲线图。
请先参照图5A，于本例中，电流产生器140适于对不同的磁化方向设定元件132a、134a提供电流方向相反的两电流(或称此两电流互为反平行(anti-parallel))。详言之，电流产生器140可对磁化方向设定元件132a提供电流方向为方向D2的反方向的电流(标记为)，而对磁化方向设定元件134a提供电流方向为方向D2的电流(标记为⊙)。因此，对于磁通集中器112a来说，磁化方向设定元件132a、134a可通过上述电流提供的条件分别在磁通集中器112a中的不同区域产生反向磁场(如图5A中箭头所示)。当电流移除时，可使磁通集中器112a非磁化(non-magnetized)。类似地，磁化方向设定元件132a、134a也可对磁通集中器114a执行上述的步骤。
基于类似图5A的电流提供条件，请参照图5B，于本例中，对于磁阻传感器121a、122a来说，磁化方向设定元件132a以对磁阻传感器122a产生沿着方向D1的磁场，同理可知，磁化方向设定元件132a也会对磁阻传感器124a、126a、128a产生沿着方向D1的磁场。磁化方向设定元件134a则对磁阻传感器121a产生沿着方向D1的反方向的磁场，同理可知，磁化方向设定元件134a也会对磁阻传感器123a、125a、127a产生沿着方向D1的反方向的磁场。
图5A以及图5B的剖面为图2A的磁场感测元件100a的剖面。于其他未示出的实施例中，也可对图2B、图2C的磁场感测元件100a’、100a”进行如图5A、图5B的磁场设定方式，本发明并不以此为限制。
请参照图5C，横轴为外在磁场H的大小，纵轴为元件在方向D2的磁感应强度，其中m点所代表的意义是：磁通集中器110在方向D2的残磁感应强度，而m’点所代表的意义是：磁阻传感器120在方向D2的残磁感应强度。当外在磁场不为零时，磁通集中器110或磁阻传感器120会以虚线而不会以实线的方式增加或减少其磁感应强度，实线与虚线之间的磁感应强度偏差会导致感测结果的失准。
因此，于本例中，可以通过如图5A、图5B的磁场设定方式，以将磁通集中器110或者将磁阻传感器120的磁化方向设定为与感测方向D2垂直的方向D1上，因此无论是磁通集中器110或磁阻传感器120的残磁感应强度在感测方向D2上的影响可被降低。本实施例的磁场感测元件100a可以通过上述的磁化设定方式而可具有超低输出偏移(ultra-low outputoffset)，因而可具有准确的感测结果。
承上述，在本发明实施例的磁场感测元件100a中，由于磁化方向设定元件130在基板S上的正投影区域P3与磁通集中器110在基板S上的正投影区域P1以及这些磁阻传感器120的至少一部分在基板S上的正投影区域P2至少部分重叠，通过这样的设置，磁化方向设定元件130可以在较小的体积下同时对磁通集中器110以及磁阻传感器120重新设定磁化方向。进一步来说，通过重设磁化方向M至垂直于感测方向D2的方向D1上，可以有效地降低对磁通集中器110以及磁阻传感器120的在方向D2上的残磁感应强度，因此本实施例的磁场感测元件100a的感测结果较为精确。
在以下的段落中，会以示例性地说明本实施例的磁场感测装置10如何量测外在磁场的大小。
图6A以及图6B分别示出本发明的一实施例在第一时间区间以及第二时间区间的磁阻传感器的桥接方式以及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6C为图6A的实施例的磁场感测元件在量测在方向D3上的磁场分量的等效电路图。图6D为图6B的实施例的磁场感测元件在量测方向D2上的磁场分量的等效电路图。
请先参照图6A以及图6B，于本例中，这些磁阻传感器121a～128a可以通过导线来连接。配合图5B的说明，磁化方向设定元件132a将磁阻传感器122a、124a、126、128的磁化方向M设定为方向D1，而磁化方向设定元件134a则将磁阻传感器121a、123a、125a、127a的磁化方向M设定为方向D1的反方向。换言之，这些磁阻传感器120的一部分与另一部分的磁化方向M被设定为相互背向对方(或称互为反平行)。接着，磁阻传感器122a、123a、125a、128a的短路棒的倾斜方向(例如是右上到左下)相同。磁阻传感器121a、124a、126a、127a的短路棒的倾斜方向(例如是左上到右下)相同。于本例中，每一磁通集中器112a、114a具有彼此相对的第一侧FS以及第二侧SS。位于每一磁通集中器112a、114a的第一侧FS的这些磁阻传感器的至少一部分(121a、122a、125a、126a)形成第一惠斯同半桥WH1。位于每一磁通集中器的第二侧SS的这些磁阻传感器的至少一部分(123a、124a、127a、128a)形成第二惠斯同半桥WH2。于本例中，磁场感测元件100a可以选择性地设置切换电路180。切换电路180通过切换接点P2、P4、P6、P8而在不同的时间区间内将第一、第二惠斯同半桥WH1、WH2电性连接成两种惠斯同全桥(图6C、图6D)，以分别量测在两个不同方向的磁场分量，而此两种惠斯同全桥输出分别对应于两个不同方向的磁场分量的两个信号。
请参照图6A以及图6C，在第一时间区间内，切换电路180将接点P2与接点P8电性连接，且将接点P4与接点P6电性连接，而形成第一种惠斯同全桥。当平行于方向D3的外在磁场H施加在磁场感测元件100a时，外在磁场H被磁通集中器112a、114a所弯曲，而使磁阻传感器121a～128a因外在磁场H弯曲而感应到在方向D2以及方向D3的磁场分量(参照图4A说明)。磁阻传感器121a～124a受到外在磁场H影响而分别产生+ΔR的电阻值，另一方面，磁阻传感器125a～128a受到外在磁场H影响而分别产生-ΔR的电阻值。于本例中，接点Pa接收参考电压Vdd，接点Pb则接地(Gnd)。接点P2、P8的电压值为Vo1。接点P6、P4的电压值为Vo2。电压值Vo1与电压值为Vo2之间的电压差可以为输出信号，此输出信号为差分信号。差分信号的大小与弯曲的外在磁场H在方向D3上的磁场分量大小之间具有线型关系，据此，可得知外在磁场H的磁场大小。此外，弯曲的外在磁场H在方向D2、D1上的磁场分量在此惠斯同全桥下不会输出信号。
请参照图6B以及图6D，在第二时间区间内，切换电路180将接点P2与接点P4电性连接，且将接点P6与接点P8电性连接，而形成第二种惠斯同全桥。当平行于方向D2的外在磁场H施加在磁场感测元件100a时，外在磁场H被磁通集中器112a、114a所弯曲，而使磁阻传感器121a～128a因外在磁场H弯曲而感应到在方向D2以及方向D3的磁场分量(参照图4B说明)。磁阻传感器121a、122a、127a、128a受到外在磁场H影响而分别产生-ΔR的电阻值，另一方面，磁阻传感器123a、124a、125a、126a受到外在磁场H影响而分别产生+ΔR的电阻值。于本例中，接点Pa接收参考电压Vdd，接点Pb则是接地(Gnd)。接点P2、P4的电压值为Vo1。接点P6、P8的电压值为Vo2。电压值Vo1与电压值为Vo2之间的电压差可以为输出信号，此输出信号为差分信号。差分信号的大小与弯曲的外在磁场H在方向D2上的磁场分量大小之间具有线性关系。据此，可得知外在磁场H的磁场大小。此外，弯曲的外在磁场H在方向D1、D3上的磁场分量在此惠斯同全桥下不会输出信号。
图7A以及图7B分别示出本发明的另一实施例在第一时间区间以及第二时间区间的磁阻传感器的桥接方式以及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7C为图7A的实施例的磁场感测元件在量测在方向D3上的磁场分量的等效电路图。图7D为图7B的实施例的磁场感测元件在量测方向D2上的磁场分量的等效电路图。
图7A至图7D的元件设置方式大致上类似于图6A至图6D的元件设置方式，其主要差异在于短路棒的倾斜方向的设计方式以及电路设计不同，于此处将差异描述如下。请先参照图7A以及图7B，磁阻传感器121a、122a、127a、128a的短路棒的倾斜方向(例如是右上到左下)相同。磁阻传感器123a、124a、125a、126a的短路棒的倾斜方向(例如是左上到右下)相同。接着，位于每一磁通集中器112a、114a的第一侧FS的这些磁阻传感器的至少一部分(121a、122a、125a、126a)组成第一惠斯同全桥WF1。位于每一磁通集中器的第二侧SS的这些磁阻传感器的至少一部分(123a、124a、127a、128a)形成第二惠斯同全桥WF2。请参照图7A，在第一惠斯同全桥WF1中，接点Pa1接收参考电压Vdd1，接点Pb1则是接地(Gnd1)，接点P1的电压值为Vo1，且接点P3的电压值为Vo3。请参照图7B，在第二惠斯同全桥WF2中，接点Pa2接收参考电压Vdd2，接点Pb2则是接地(Gnd2)，接点P3的电压值为Vo3，且接点P7的电压值为Vo4。电压值Vo1与电压值为Vo3之间的电压差可以为第一惠斯同全桥WF1的第一输出信号。电压值Vo3与电压值为Vo4之间的电压差可以为第二惠斯同全桥WF2的第二输出信号。上述的第一输出信号及第二输出信号皆为差分信号。
请参照图7A以及图7C，当平行于方向D3的外在磁场H施加在磁场感测元件100a时，外在磁场H被磁通集中器112a、114a所弯曲，而使磁阻传感器121a～128a因外在磁场H弯曲而感应到在方向D2以及方向D3的磁场分量。磁阻传感器121a、123a、126a、128a受到外在磁场H影响而分别产生+ΔR的电阻值，另一方面，使磁阻传感器122a、124a、125a、127a受到外在磁场H影响而分别产生-ΔR的电阻值。磁场感测元件100a可通过将第一输出信号以及第二输出信号相加而得到加总信号。加总信号的大小与弯曲的外在磁场H在方向D3的磁场分量大小之间具有线性关系。据此，可得知外在磁场H的磁场大小。此外，弯曲的外在磁场H在方向D2上的磁场分量因将第一、第二输出信号加总而相消。弯曲的外在磁场H在方向D1上的磁场分量在此第一、第二惠斯同全桥WH1、WH2下不会输出信号。
请参照图7B以及图7D，当平行于方向D2的外在磁场H施加在磁场感测元件100a时，外在磁场H被磁通集中器112a、114a所弯曲，而使磁阻传感器121a～128a因外在磁场H弯曲而感应到在方向D2以及方向D3的磁场分量。磁阻传感器121a、124a、126a、127a受到外在磁场H影响而分别产生+ΔR的电阻值，另一方面，使磁阻传感器122a、123a、125a、128a受到外在磁场H影响而分别产生-ΔR的电阻值。磁场感测元件100a可通过将第一输出信号以及第二输出信号相减而得到差分信号。第一输出信号以及第二输出信号的绝对值彼此相同，但正负号不同。差分信号的大小与弯曲的外在磁场H在方向D2的磁场分量大小之间具有线性关系。据此，可得知外在磁场H的磁场大小。此外，弯曲的外在磁场H在方向D3上的磁场分量因将第一、第二输出信号相减而相消。弯曲的外在磁场H在方向D1上的磁场分量在此第一、第二惠斯同全桥WH1、WH2下不会输出信号。
承上述，磁场感测元件100a可以通过图6A及图6B或图7A及图7B的电路配置方式而可量测到在方向D2、D3的磁场。本领域的技术人员可参照上述的电路配置方式，而将磁场感测元件100b中磁阻传感器121b～128b形成惠斯同全桥而可量测到平行于方向D1的外在磁场H。因此，磁场感测装置10可以通过磁场感测元件100a、100b而在平面上实现三方向磁场的量测。
此外，由于具有弯折外在磁场H能力的磁通集中器110形成于基板S的表面S1上，因此可以将在方向D3的磁场的相关电气信号转移到而使设置于平面S1上的磁阻传感器120来进行感测，而在方向D1、D2上的磁场相关电气信号也可以被设置于平面S1上的磁阻传感器120感测，因此本实施例的磁场感测装置10的设置方式除了可在平面上实现三方向磁场的量测外，也可以应用于晶圆级封装技术。
于他例中，本领域技术人员可以依据实际需求与设计对电路架构作出适当变化。举例来说，这些磁阻传感器120可以形成惠司同半桥、惠司同全桥、单段感应电阻(single-ended sensing resistors)、一对互补的单段感应电阻(a pair of compensated single-ended sensing resistors)或其组合，本发明并不以电路架构为限制。
在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，省略了相同技术内容的说明，关于相同的元件名称可以参考前述实施例的部分内容，下述实施例不再重复赘述。此外，为了清楚地显示图面，下方段落所述及的图中省略部分与先前实施例相同的元件的标号。
请参照图1B，在磁场感测装置10’中，磁场感测元件100a’中的磁通集中器110包括四个磁通集中器112a、114a、116a、118a。每一磁通集中器110在基板S上的第一正投影区域P1仅与磁化方向设定元件130在基板S上的第三正投影区域P3重叠。举例而言，磁通集中器112a的第一正投影区域P1仅与磁化方向设定元件130的第三正投影区域P3重叠，其他以此类推。磁化方向设定元件132a、134a可以将磁通集中器112a与磁通集中器116a的磁化方向设定为彼此互为反平行，其他以此类推。磁场感测元件100b’的说明类似于磁场感测元件100a’，于此不再赘述。此外，磁场感测装置10’具有类似于磁场感测装置10的功效，也可通过类似的电路配置而达到感测三方向磁场的效果，于此不在赘述。
图8A至图10A为本发明的不同实施例的磁场感测装置的上视概要示意图。图8B至图10B分别为图8A至图10A的磁场感测装置的变形实施例的上视概要示意图。
请参照图8A，磁场感测装置10a大致上类似于磁场感测装置10，其主要差异在于：磁场感测装置10a更包括磁场感测元件100c。磁场感测元件100c的元件架构以及作动方式与磁场感测元件100a相同，相关的说明可参照上述段落，于此不在赘述。于本例中，这些磁阻传感器121a～128a、这些磁阻传感器121b～128b以及这些磁阻传感器121c～128c可分别形成三个惠司同全桥，其中磁场感测元件100a的惠司同全桥用以感测在方向D2的磁场，磁场感测元件100b的惠司同全桥用以感测在方向D1的磁场，而磁场感测元件100c的惠司同全桥用以感测在方向D3的磁场，以达到实现感测三方向磁场的效果。换言之，每一个磁场感测元件皆为单方向磁传感器。
请参照图8B，磁场感测装置10a’大致上类似于磁场感测装置10a，其变形的相关说明可参照图1B的实施范例，于此不再赘述。
请参照图9A，磁场感测装置10b大致上类似于磁场感测装置10，其主要差异在于：磁场感测装置10b不设有磁场感测元件100b，但设有磁传感器1。磁传感器1包括多个设置于基板S上的磁阻传感器120(121d～128d)以及多个设置于基板S上的磁化方向设定元件130(132d、134d)。在磁传感器1中，这些磁阻传感器120的至少一部份在基板S上的正投影区域为第四正投影区域P4。每一磁化方向设定元件130在基板S上的正投影区域为第五正投影区域P5。第五正投影区域P5与第四正投影区域P4至少部分重叠。详细来说，磁阻传感器120的至少一部份(121d、123d、125d、127d)在基板S上的正投影区域与磁化方向设定元件134d在基板S上的正投影区域P5重叠，而磁阻传感器120的至少一部份(122d、124d、126d、128d)在基板S上的正投影区域P4与磁化方向设定元件132d在基板S上的正投影区域P5重叠。电流产生器140也与磁化方向设定元件132d、134d耦接，也可通过如图5B的磁场设定方式以设定磁阻传感器121d～128d的磁化方向。于本例中，磁场感测元件100a中的这些磁阻传感器120可参照如同图6A至图6D的惠司同半桥的电路连接方式，而在不同的时间区间内形成两种不同的惠司同全桥，以分别感测在方向D2以及在方向D3的磁场。磁传感器1中的这些磁阻传感器121d～128d可电性连接形成一个惠司同全桥，以感测在方向D1的磁场。
请参照图9B，磁场感测装置10b’大致上类似于磁场感测装置10b，其变形的相关说明可参照图1B的实施范例，于此不再赘述。
请参照图10A，磁场感测装置10c大致上类似于磁场感测装置10b，其主要差异在于：磁场感测装置10c还包括磁传感器1’。磁传感器1’的元件构成类似于磁传感器1的元件构成，主要差异在于设置方式的不同。磁传感器1’等效于磁传感器1以逆时针旋转90度方向设置，其他的说明与磁传感器1类似，于此不再赘述。于本例中，这些磁阻传感器121a～128a、这些磁阻传感器121d～128d以及这些磁阻传感器121e～128e可分别形成三个惠司同全桥，其中磁场感测元件100a的惠司同全桥用以感测在方向D3的磁场，磁场感测元件100b的惠司同全桥用以感测在方向D1的磁场，而磁场感测元件100c的惠司同全桥用以感测在方向D2的磁场。
请参照图10B，磁场感测装置10c’大致上类似于磁场感测装置10c，其变形的相关说明可参照图1B的实施范例，于此不再赘述。
综上所述，在本发明的实施例的磁场感测元件以及磁场感测装置中，其通过将磁化方向设定元件分别与磁阻传感器以及磁通集中器在空间上重叠的设置方式，因此磁化方向设定元件可同时对磁阻传感器以及磁通集中器重新设定磁化方向，而具有较小的体积，并且可进一步来消除于其中的残磁，而得到精确的感测结果。
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技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
Claims (20)
1.一种磁场感测元件，其特征在于，包括：
基板；
多个磁通集中器，设置于所述基板上；
多个磁阻传感器，设置于所述基板上，其中每一所述磁通集中器的相对两侧设有所述多个磁阻传感器的至少一部分；以及
多个磁化方向设定元件，设置于所述基板上，
其中，
每一所述磁通集中器在所述基板上的正投影区域为第一正投影区域，
所述多个磁阻传感器的至少一部分在所述基板上的正投影区域为第二正投影区域，
每一所述磁化方向设定元件在所述基板上的正投影区域为第三正投影区域，
所述第三正投影区域分别与所述第一正投影区域以及所述第二正投影区域至少部分重叠。
2.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，
每一所述磁通集中器往第一方向延伸，且所述多个磁通集中器沿第二方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向，
每一所述磁阻传感器往所述第一方向延伸，且所述多个磁阻传感器沿所述第二方向排列，所述多个磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第二方向；以及
每一所述磁化方向设定元件往所述第二方向延伸，且所述多个磁化方向设定元件沿所述第一方向排列。
3.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，
每一所述磁通集中器往第二方向延伸，且所述多个磁通集中器沿第一方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向，
每一所述磁阻传感器往所述第二方向延伸，且所述多个磁阻传感器沿所述第一方向排列，所述多个磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第一方向；以及
每一所述磁化方向设定元件往所述第一方向延伸，且所述多个磁化方向设定元件沿所述第二方向排列。
4.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，还包括：
电流产生器，耦接于所述多个磁化方向设定元件，所述多个磁化方向设定元件还包括二磁化方向设定元件，且所述电流产生器适于分别提供电流方向相反的两电流至所述二磁化方向设定元件。
5.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，还包括切换电路，每一所述磁通集中器具有彼此相对的第一侧以及第二侧，其中，
位于每一所述磁通集中器的所述第一侧的部分所述多个磁阻传感器形成第一惠斯同半桥，
位于每一所述磁通集中器的所述第二侧的部分所述多个磁阻传感器形成第二惠斯同半桥，
所述切换电路在不同的时间区间内将所述第一惠斯同半桥与所述第二惠斯同半桥电性连接成至少两种惠斯同全桥，以分别量测在两个不同方向的磁场分量，并使所述至少二惠斯同全桥输出分别对应于所述两个不同方向的磁场分量的两个信号。
6.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，每一所述磁通集中器具有彼此相对的第一侧以及第二侧，其中，
位于每一所述磁通集中器的所述第一侧的部分所述多个磁阻传感器形成第一惠斯同全桥，
位于每一所述磁通集中器的所述第二侧的部分所述多个磁阻传感器形成第二惠斯同全桥，
其中，所述磁场感测元件根据所述第一惠斯同全桥的第一输出信号以及所述第二惠斯同全桥的第二输出信号以得到在两个不同方向的磁场分量。
7.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，每一所述第一正投影区域同时与所述多个第三正投影区域重叠。
8.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，每一所述第一正投影区域仅与一所述第三正投影区域重叠。
9.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，所述多个第一正投影区域与所述多个第二正投影区域彼此错开。
10.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，所述多个磁通集中器以及所述多个磁化方向设定元件设置于所述多个磁阻传感器的同一侧。
11.根据权利要求1所述的磁场感测元件，其特征在于，所述多个磁通集中器以及所述多个磁化方向设定元件分别设置于所述多个磁阻传感器的相对两侧。
12.一种磁场感测装置，其特征在于，包括：
基板；
至少一磁场感测元件，所述磁场感测元件包括：
多个第一磁通集中器，设置于所述基板上；
多个第一磁阻传感器，设置于所述基板上，其中每一所述第一磁通集中器的相对两侧设有所述多个第一磁阻传感器的至少一部分；以及
多个第一磁化方向设定元件，设置于所述基板上，
其中，
每一所述第一磁通集中器在所述基板上的正投影区域为第一正投影区域，
所述多个第一磁阻传感器的至少一部分在所述基板上的正投影区域为第二正投影区域，
每一所述第一磁化方向设定元件在所述基板上的正投影区域为第三正投影区域，
所述第三正投影区域分别与所述第一正投影区域以及所述第二正投影区域至少部分重叠。
13.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括至少一磁传感器，所述磁传感器包括多个第二磁阻传感器以及多个第二磁化方向设定元件，所述多个第二磁阻传感器以及所述多个第二磁化方向设定元件设置于所述基板上，其中，
所述多个第二磁阻传感器的至少一部分在所述基板上的正投影区域为第四正投影区域；
每一所述第二磁化方向设定元件在所述基板上的正投影区域为第五正投影区域，
所述第五正投影区域与所述第四正投影区域至少部分重叠。
14.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，在所述磁场感测元件中，
每一所述第一磁通集中器往第一方向延伸，且所述多个第一磁通集中器沿第二方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向，
每一所述第一磁阻传感器往所述第一方向延伸，且所述多个第一磁阻传感器沿所述第二方向排列，所述多个第一磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第二方向；以及
每一所述第一磁化方向设定元件往所述第二方向延伸，且所述多个第一磁化方向设定元件沿所述第一方向排列。
15.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，在所述磁场感测元件中，
每一所述第一磁通集中器往第二方向延伸，且所述多个第一磁通集中器沿第一方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向，
每一所述第一磁阻传感器往所述第二方向延伸，且所述多个第一磁阻传感器沿所述第一方向排列，所述多个第一磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第一方向；以及
每一所述第一磁化方向设定元件往所述第一方向延伸，且所述多个第一磁化方向设定元件沿所述第二方向排列。
16.根据权利要求13所述的磁场感测装置，其特征在于，在所述磁传感器中，
每一所述第二磁通集中器往第一方向延伸，且所述多个第二磁通集中器沿第二方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向；以及
每一所述第二磁阻传感器往所述第二方向延伸，且所述多个第二磁阻传感器沿所述第一方向排列，所述多个第二磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第一方向。
17.根据权利要求13所述的磁场感测装置，其特征在于，在所述磁传感器中，
每一所述第二磁通集中器往第二方向延伸，且所述多个第二磁通集中器沿第一方向排列，所述第一方向不同于所述第二方向；以及
每一所述第二磁阻传感器往所述第一方向延伸，且所述多个第二磁阻传感器沿所述第二方向排列，所述多个第二磁阻传感器的磁场感测轴平行于所述第二方向。
18.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，每一所述第一正投影区域同时与所述多个第三正投影区域重叠。
19.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，每一所述第一正投影区域仅与所述第三正投影区域重叠。
20.根据权利要求12所述的磁场感测装置，其特征在于，所述多个第一正投影区域与所述多个第二正投影区域彼此错开。
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