CN112051523B - 磁场感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场感测装置，包括多个磁阻传感器、检测磁场产生元件、多个磁化方向设定元件以及电流产生器。各磁阻传感器具有彼此互为垂直的长轴与短轴。电流产生器用以选择性地施加第一电流至检测磁场产生元件，以使检测磁场产生元件对这些磁阻传感器产生参考磁场。参考磁场的磁场方向平行于短轴。电流产生器用以选择性地施加第二电流以使这些磁化方向设定元件对这些磁阻传感器产生多个设定磁场。各设定磁场的磁场方向平行于长轴。

Description

磁场感测装置

技术领域

本发明涉及一种磁场感测装置，尤其涉及一种自建有检测磁场产生元件的磁场感测装置。

背景技术

随着科技的发展，具有导航与定位功能的电子产品也越来越多样化。电子罗盘在车用导航、飞航以及个人手持式装置的应用领域中提供了相当于传统罗盘的功能。而为了实现电子罗盘的功能，磁场感测装置变成了必要的电子元件。

当磁场感测装置完成后，通常会被送往检测系统以进行校准。但是，若为了要产生大范围的检测磁场以一次性地检测多个磁场装置的话，检测系统需要较大的体积，其所需要的电流也较大。并且，检测过程中也需要花费大量的运送与检测时间，造成磁场感测装置的生产成本与生产时间提高。

发明内容

本发明提供一种磁场感测装置，其具有自检测功能以及较低的生产成本。

本发明的一实施例中提供了一种磁场感测装置，包括多个磁阻传感器、检测磁场产生元件、多个磁化方向设定元件以及电流产生器。各磁阻传感器具有彼此互为垂直的第一长轴与第一短轴。检测磁场产生元件设置于这些磁阻传感器旁且与这些磁阻传感器重叠设置。这些磁化方向设定元件设置于这些磁阻传感器旁且与这些磁阻传感器重叠设置。电流产生器用以选择性地施加第一电流至检测磁场产生元件，以使检测磁场产生元件对这些磁阻传感器产生参考磁场。电流产生器用以选择性地施加第二电流以使这些磁化方向设定元件对这些磁阻传感器产生多个设定磁场。各设定磁场的磁场方向平行于各磁阻传感器的第一长轴。

在本发明的一实施例中，上述的检测磁场产生元件包括多个导体，且所述多个导体彼此并联设置。各导体还包括彼此互为垂直的第二长轴与第二短轴，且第二长轴平行于磁阻传感器的第一长轴。

在本发明的一实施例中，上述的检测磁场产生元件包括多个导体组。各导体组还包括多个彼此并联设置的导体。各导体还包括彼此互为垂直的第二长轴与第二短轴，且第二长轴平行于磁阻传感器的第一长轴。这些导体组彼此串联设置。

在本发明的一实施例中，在各导体组中，定义一正投影范围且此正投影范围涵盖对应的导体组内的所有导体。这些正投影范围彼此互不重叠。

在本发明的一实施例中，在各导体组中，定义一正投影范围且此正投影范围涵盖对应的导体组的所有导体。这些正投影范围两两互为重叠。

在本发明的一实施例中，上述的多个导体组包括至少一第一导体组与至少一第二导体组。第一导体组内的多个导体为多个第一导体。第二导体组内的多个导体为多个第一导体。这些第一导体与这些第二导体彼此交叉设置。

在本发明的一实施例中，上述的这些导体组包括单一个第一导体组与单一个第二导体组。

在本发明的一实施例中，上述的这些导体组包括多个第一导体组与多个第二导体组。

在本发明的一实施例中，上述的各磁化方向设定元件具有彼此互为垂直的第三长轴与第三短轴。第三长轴垂直于磁阻传感器的第一长轴。这些磁阻传感器还包括多个并列设置的第一磁阻传感器与多个并列设置的第二磁阻传感器。各第一磁阻传感器与对应的第二磁阻传感器串联设置。这些磁化方向设定元件还包括第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件。第一磁化方向设定元件与这些第一磁阻传感器重叠设置，且第二磁化方向设定元件与这些第二磁阻传感器重叠设置。

在本发明的一实施例中，上述的这些磁化方向设定元件设置于这些磁阻传感器与检测磁场产生元件之间。

在本发明的一实施例中，上述的磁场感测装置还包括第一绝缘层与第二绝缘层。第一绝缘层位于这些磁阻传感器与这些磁化方向设定元件之间。第二绝缘层位于这些磁化方向设定元件与检测磁场产生元件之间。

在本发明的一实施例中，上述的磁阻传感器的种类为异相性磁阻传感器。

基于上述，在本发明实施例的磁场感测装置中，其通过检测磁场产生元件对磁阻传感器产生参考磁场，且此参考磁场可用以校正磁阻传感器的灵敏度与正交性，因此磁场感测装置可实现自检测功能。

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

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图。

图2为图1中的剖面A-A’的剖面示意图。

图3A与图3B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。

图4到图6示出了本发明不同实施例的检测磁场设定元件的电路布局示意图。

附图标号说明

100：磁场感测装置；

110：磁阻传感器、异向性磁阻传感器；

112：第一磁阻传感器；

114：第二磁阻传感器；

120、120a～120c：检测磁场产生元件；

130：磁化方向设定元件；

132：第一磁化方向设定元件；

134：第二磁化方向设定元件；

140：电流产生器；

150、160：绝缘层；

A-A’：剖面；

C：导体；

C1：第一导体；

C2：第二导体；

CS：导体组；

CS1、CS1b、CS1c：第一导体组；

CS2、CS2b、CS2c：第二导体组；

D：延伸方向；

D1～D3：方向；

FF：铁磁膜；

H：外在磁场；

H_M：设定磁场；

H_R：参考磁场；

M：磁化方向；

PR、PR1、PR2、PR1b、PR2b：正投影范围；

SB：短路棒；

SD：感测方向；

I：电流；

I₁：第一电流；

I₁/2：第一电流的一半；

I₂：第二电流。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

为了方便说明本发明实施例的磁场感测装置的配置方式，磁场感测装置可被视为处于一由方向D1、方向D2与方向D3所构成的空间内，其中方向D1、D2、D3两两互为垂直。

图1为本发明的一实施例的磁场感测装置的上视示意图。图2为图1中的剖面A-A’的剖面示意图。图3A与图3B为图1中异向性磁阻传感器的不同布局方法。

请参照图1与图2，在本实施例中，磁场感测装置100包括多个磁阻传感器110、检测磁场产生元件120、多个磁化方向设定元件130、电流产生器140以及多个绝缘层150、160。于以下的段落中会详细地说明以上元件。

在本发明的实施例中所指的磁阻传感器110是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110可为异向性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive resistor,AMR resistor)。各磁阻传感器110具有彼此互为垂直的第一长轴与第一短轴，其中第一长轴(未标示)与第一短轴(未标示)例如分别与方向D1、D2平行。参照图3A以及图3B，异向性磁阻传感器110例如是具有理发店招牌(barber pole)状结构，亦即其表面设有相对于异向性磁阻传感器110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110的主体，其延伸方向即为异向性磁阻传感器110的延伸方向。异向性磁阻传感器110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)。

在本发明的实施例中，检测磁场产生元件120与磁化方向设定元件130为可通过通电而产生磁场的线圈、导线、金属片、导体中的任一者或其组合。检测磁场产生元件120例如是检测磁场产生线圈。于本实施例中，检测磁场产生元件120包括多个并列设置的导体C，其数量例如是两个，但不以此为限。每一导体C分别具有彼此互为垂直的第二长轴(未标示)与第二短轴(未标示)，其中第二长轴与第二短轴分别与方向D1、D2平行。另一方面，磁化方向设定元件130例如是金属导体板，其数量例如是两个，此二磁化方向设定元件130分别被称为第一、第二磁化方向设定元件132、134。各磁化方向设定元件具有彼此互为垂直的第三长轴(未标示)与第三短轴(未标示)，其中第三长轴与第三短轴分别与方向D2、D1平行。

上述的“长轴”被定义为平行于元件长边且通过元件中心点的一参考轴，而上述的“短轴”则被定义为平行于元件短边且通过元件中心点的另一参考轴。

在本发明的实施例中，电流产生器140是指用以提供电流的电子元件。

在本发明的实施例中，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。

为了要说明本实施例的磁场感测装置100的配置效果，于以下的段落先简介本实施例的磁场感测装置100量测磁场的基本原理。

异向性磁阻传感器110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(或称长轴方向)的磁场，以使异向性磁阻传感器110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110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110的磁化方向M维持在延伸方向D上，此时电流产生器140可施加一电流I，使电流I从异向性磁阻传感器110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110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，异向性磁阻传感器110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110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110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110的电阻值会变成R+ΔR，亦即异向性磁阻传感器110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110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110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110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3B的异向性磁阻传感器110的电阻值会变成R-ΔR。

因此，于本实施例中，磁场感测装置100例如是通过四个磁阻传感器110来构成一惠斯同电桥，所属技术领域中的技术人员可依据这些磁阻传感器110并搭配上述或其他种不同的电路设计以及上述磁阻传感器110因外在磁场而导致的电阻值变化情形，以对应量测到外在磁场H在一特定方向上的磁场分量的信号。于其他未示出的实施例中，磁场感测装置例如是包括四个以上磁阻传感器110，而构成多个惠斯同全桥或半桥，以对应量测到外在磁场H在不同特定方向上的磁场分量的信号。或者是，于另一些实施例中，磁场感测装置例如是包括一至三个的磁阻传感器110，于这些实施例中，磁场感测装置可单就分别的磁阻传感器110对外在磁场H的变化而产生的一响应信号，而得知磁场的变化。本发明并不以磁阻传感器120的数量与其电路设计为限制。

于以下的段落中会详细地说明本实施例的磁场感测装置100中的各元件配置方式与对应的效果。

请参照图1与图2，于本实施例中，检测磁场产生元件120设置于这些磁阻传感器110旁且与这些磁阻传感器110重叠设置。详细来说，各磁阻传感器110的第一长轴、第一短轴分别与检测磁场产生元件120中与其对应的导体C的第二长轴、第二短轴平行设置，且各磁阻传感器110落在对应的导体C的正投影范围内。电流产生器140可选择性地对检测磁场产生元件120施加第一电流I₁，以使这些导体C对这些磁阻传感器110产生磁场方向为方向D2的一参考磁场H_R。也就是说参考磁场H_R的磁场方向是平行于磁阻传感器110的第一短轴。此参考磁场H_R的磁场方向与各磁阻传感器110的感测方向相同，并用以校正各磁阻传感器110的灵敏度(Sensitivity)与正交性(Orthogonality)。

这些磁化方向设定元件130设置于这些磁阻传感器110旁，且各磁化方向设定元件130同时与对应的磁阻传感器110与检测磁场产生元件120重叠设置。详细来说，各磁化方向设定元件130的第三长轴、第三短轴分别与磁阻传感器110(或导体C)的第一短轴(或第二短轴)、第一长轴(或第二长轴)平行设置。并且，根据上述的段落，磁场感测装置100在量测磁场之前，需要设定这些磁阻传感器110的磁化方向。这些磁阻传感器110可被分为多个第一磁阻传感器112以及多个第二磁阻传感器114。这些第一、第二磁阻传感器112、114分别与第一、第二磁化方向设定元件132、134重叠设置。各第一磁阻传感器112与对应的第二磁阻传感器114串联设置，而耦接成惠斯同电桥的一电桥臂。

当电流产生器140对第一、第二磁化方向设定元件132、134施加第二电流I₂时，第一、第二磁化方向设定元件132、134对这些磁阻传感器110产生磁场方向为方向D1或其反方向的多个设定磁场H_M。也就是说，这些设定磁场H_M的磁场方向平行于各磁阻传感器110的第一长轴。由于这些磁化方向设定元件132、134是采取S型电路回路的方式配置，第二电流I₂在第一、第二磁化方向设定元件132、134内的电流流向互为反平行(Anti-parallel)，这些设定磁场H_M彼此亦互为反平行。因此，第一磁化方向设定元件132可将这些第一磁阻传感器112的磁化方向设定为方向D1，而第二磁化方向设定元件134可将这些第二磁阻传感器114的磁化方向设定为方向D1的反方向。

请参照图2，于本实施例中，绝缘层150位于这些磁阻传感器110与这些磁化方向设定元件130之间，且绝缘层150覆盖这些磁化方向设定元件130。绝缘层160位于这些磁化方向设定元件130与检测磁场产生元件120之间。

承上述，在本实施例的磁场感测装置100中，检测磁场产生元件120设置于这些磁阻传感器110旁且与这些磁阻传感器110重叠设置。检测磁场产生元件120可被电流产生器140施与第一电流I₁而对这些磁阻传感器产生一平行于磁阻传感器110的短轴方向的一参考磁场H_R，此参考磁场H_R可用以校准这些磁阻传感器110的敏感度与正交性，因此磁场感测装置100可实现自检测功能。并且，由于检测磁场产生元件120设置于这些磁阻传感器110旁，两者彼此之间的距离相当靠近，检测磁场产生元件120所需的电流不需要太大而可产生足够强度的参考磁场H_R，也就是说，在检测过程中其不需耗费太多能量。

同时，磁场感测装置100适于由标准探针系统(standard probing System)进行检测，由于标准探针系统具有高产率以及短的检测时间，可以降低磁场感测装置100整体的生产成本以及生产时间。

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。

图4到图6示出了本发明不同实施例的检测磁场设定元件的电路布局示意图。

请参照图4，图4的检测磁场设定元件120a类似于图1的检测磁场设定元件120，其主要差异在于：检测磁场设定元件120a包括多个导体组CS。各导体组CS包括彼此并联设置的导体C。这些导体组CS再彼此串联设置。于本实施例中，导体组的数量例如为二，其分别称为第一、第二导体组CS1、CS2，且第一、第二导体组CS1、CS2内的导体C分别称为第一、第二导体C1、C2。第一、第二导体组CS1、CS2导体C的数量分别皆为四个，但本发明并不以导体组与导体的数量为限。此外，于本实施例中，各导体组CS可定义一正投影范围PR，其中正投影范围PR的定义方式例如是在方向D3上，涵盖导体组CS内对应的多个导体C的正投影范围。举例来说，正投影范围PR1涵盖了第一导体组CS1中的所有第一导体C1，正投影范围PR2涵盖了第二导体组CS2中的所有第二导体C2。于本实施例中，这些正投影范围PR彼此互不重叠。

请参照图5，图5的检测磁场设定元件120b类似于图4的检测磁场设定元件120a，其主要差异在于：多个导体组CS所定义的多个正投影范围PR两两互为重叠。具体来说，多个导体组CS例如包括单一个第一导体组CS1b(以实线表示的两个第一导体C1)与单一个第二导体组CS2b(以虚线表示的两个第二导体C2)。为求清楚表示，与第一导体组CS1b直接连接的导线及其本身以实线表示，而与第二导体组CS2b直接连接的导线及其本身以虚线表示。第一、第二导体组CS1b、CS2b所分别定义的第一、第二正投影范围PR1b、PR2b彼此互为重叠。于本实施例中，第一、第二导体组CS1b、CS2b分别具有的第一、第二导体C1、C2的数量皆为二，但本发明并不以此为限。此外，于其他未示出的实施例中，检测磁场设定元件可还具有第三导体组，且其定义的第三正投影范围例如是与第二正投影范围重叠。

请再参照图5，由另一观点观之，第一、第二导体组CS1b、CS2b所分别具有的第一、第二导体C1、C2彼此交叉设置，而成指叉式排列。具体来说，在任两相邻的第一导体C1间夹设有一第二导体C2，而在任两相邻的第二导体C2间夹设有一第一导体C1。

请参照图6，图6的检测磁场设定元件120c类似于图5的检测磁场设定元件120b，其主要差异在于：第一导体组CS1c的数量为多个(例如是三个)，第二导体组CS2c的数量亦为多个(例如是三个)。为求清楚表示，与第一导体组CS1c直接连接的导线及其本身以实线表示，而与第二导体组CS2c直接连接的导线及其本身以虚线表示。于本实施例中，这些第一导体组CS1c先串联完后，再与这些第二导体组CS2c串联。

综上所述，在本发明实施例的磁场感测装置中，检测磁场产生元件设置于多个磁阻传感器旁且与这些磁阻传感器重叠设置。检测磁场产生元件可被电流产生器施与第一电流而对这些磁阻传感器产生一平行于磁阻传感器的短轴方向的一参考磁场，此参考磁场可用以校准这些磁阻传感器的敏感度与正交性，因此磁场感测装置可实现自检测功能。并且，由于检测磁场产生元件设置于这些磁阻传感器旁，因此两者彼此之间的距离相当靠近，检测磁场产生元件所需的电流大小不需要太大而可产生足够强度的参考磁场，其检测过程的耗能较低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种磁场感测装置，其特征在于，包括：

多个磁阻传感器，各所述磁阻传感器具有彼此互为垂直的第一长轴与第一短轴；

检测磁场产生元件，设置于所述多个磁阻传感器旁且与所述多个磁阻传感器重叠设置；

多个磁化方向设定元件，设置于所述多个磁阻传感器旁且与所述多个磁阻传感器重叠设置；以及

电流产生器，其中，

所述电流产生器用以选择性地施加第一电流至所述检测磁场产生元件，以使所述检测磁场产生元件对所述多个磁阻传感器产生参考磁场，其中所述参考磁场的磁场方向平行于各所述磁阻传感器的所述第一短轴，

且所述电流产生器用以选择性地施加第二电流以使所述多个磁化方向设定元件对所述多个磁阻传感器产生多个设定磁场，其中各所述设定磁场的磁场方向平行于各所述磁阻传感器的所述第一长轴。

2.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

所述检测磁场产生元件包括多个导体，且所述多个导体彼此并联设置，

其中各所述导体还包括彼此互为垂直的第二长轴与第二短轴，且所述第二长轴平行于所述磁阻传感器的所述第一长轴。

3.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

所述检测磁场产生元件包括多个导体组，且各所述导体组还包括多个彼此并联设置的导体，各所述导体还包括彼此互为垂直的第二长轴与第二短轴，且所述第二长轴平行于所述磁阻传感器的所述第一长轴，其中所述多个导体组彼此串联设置。

4.根据权利要求3所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

在各所述导体组中，定义正投影范围且所述正投影范围涵盖对应的导体组内的所有导体，

其中，所述多个正投影范围彼此互不重叠。

5.根据权利要求3所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

各所述导体组中，定义正投影范围且所述正投影范围涵盖对应的导体组的所有导体，

其中，所述多个正投影范围两两互为重叠。

6.根据权利要求3所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

所述多个导体组包括至少一第一导体组与至少一第二导体组，所述第一导体组内的所述多个导体为多个第一导体，所述第二导体组内的所述多个导体为多个第一导体，

其中，所述多个第一导体与所述多个第二导体彼此交叉设置。

7.根据权利要求6所述的磁场感测装置，其特征在于，其中所述多个导体组包括单一个第一导体组与单一个第二导体组。

8.根据权利要求6所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，所述多个导体组包括多个第一导体组与多个第二导体组。

9.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，

各所述磁化方向设定元件具有彼此互为垂直的第三长轴与第三短轴，其中，所述第三长轴垂直于所述磁阻传感器的所述第一长轴，

所述多个磁阻传感器还包括多个并列设置的第一磁阻传感器与多个并列设置的第二磁阻传感器，其中各所述第一磁阻传感器与对应的所述第二磁阻传感器串联设置，

所述多个磁化方向设定元件还包括第一磁化方向设定元件与第二磁化方向设定元件，

其中所述第一磁化方向设定元件与多个所述第一磁阻传感器重叠设置，且所述第二磁化方向设定元件与多个所述第二磁阻传感器重叠设置。

10.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，所述多个磁化方向设定元件设置于所述多个磁阻传感器与所述检测磁场产生元件之间。

11.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，还包括第一绝缘层与第二绝缘层，

所述第一绝缘层位于所述多个磁阻传感器与所述多个磁化方向设定元件之间，

且所述第二绝缘层位于所述多个磁化方向设定元件与所述检测磁场产生元件之间。

12.根据权利要求1所述的磁场感测装置，其特征在于，其中，所述磁阻传感器的种类为异相性磁阻传感器。

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