TW202009512A

TW202009512A - 磁場感測裝置

Info

Publication number: TW202009512A
Application number: TW108118911A
Authority: TW
Inventors: 袁輔德
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-03-01
Also published as: TWI711833B

Abstract

一種磁場感測裝置，包括至少一漩渦型磁電阻及至少一磁化設定元件。漩渦型磁電阻包括一釘扎層、一受釘扎層、一間隔層及一圓形自由層。受釘扎層配置於釘扎層上，間隔層配置於受釘扎層上，而圓形自由層配置於間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈。磁化設定元件交替地通電與不通電，當磁化設定元件不通電時，圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈隨著外在磁場而變化，以達到對外在磁場的感測。當磁化設定元件通電時，磁化設定元件所產生的磁場破壞了圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈，並使圓形自由層達到磁飽和。

Description

磁場感測裝置

本發明是有關於一種磁場感測裝置。

磁場感測器是一個能夠為系統提供電子羅盤及運動追跡（motion tracking）的重要元件。近年來，相關的應用快速地發展，特別是對於可攜式裝置而言。在新一世代的應用中，高準確率、快速反應、小體積、低功耗及可靠的品質已成為磁場感測器的重要特徵。

在傳統的巨磁電阻或穿隧磁電阻感測器中，具有釘扎層（pinning layer）、受釘扎層（pinned layer）、間隔層（spacer layer）及自由層（free layer）依序堆疊的結構，其中自由層具有一易磁化軸（magnetic easy-axis），其垂直於釘扎層的釘扎方向。若欲建構一個單軸的具有惠斯登電橋的磁感測器，多個具有不同的釘扎方向的磁電阻是重要的。對於3軸的磁感測器而言，則需要多個分別具有6個釘扎方向的磁電阻。然而，就製造的觀點來看，在一個晶圓中於釘扎層中製作第二種釘扎方向會造成可觀的成本增加，且會降低了受釘扎層中的磁化方向配置的穩定性。

此外，在一般的磁場感測器所輸出的訊號中存在著閃爍雜訊（flicker noise）（即粉紅雜訊（pink noise）），其會影響磁場感測器所測得的磁場大小的準確性。

本發明提供一種磁場感測裝置，其能夠有效克服閃爍雜訊的干擾。

本發明的一實施例提出一種磁場感測裝置，包括至少一漩渦型磁電阻（vortex magnetoresistor）及至少一磁化設定元件（magnetization setting element）。此至少一漩渦型磁電阻包括一釘扎層、一受釘扎層、一間隔層及一圓形自由層。受釘扎層配置於釘扎層上，間隔層配置於受釘扎層上，而圓形自由層配置於間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈。此至少一磁化設定元件配置於此至少一漩渦型磁電阻的一側，且此至少一磁化設定元件交替地通電與不通電，當此至少一磁化設定元件不通電時，圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈隨著外在磁場而變化，以達到對外在磁場的感測。當此至少一磁化設定元件通電時，此至少一磁化設定元件所產生的磁場破壞了圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈，並使圓形自由層達到磁飽和。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一基板、一第一絕緣層及一第二絕緣層。磁化設定元件配置於基板上，第一絕緣層覆蓋在磁化設定元件上，其中漩渦型磁電阻配置於第一絕緣層上。第二絕緣層覆蓋在漩渦型磁電阻上。

在本發明的一實施例中，磁場感測裝置更包括一基板、一第一絕緣層及一第二絕緣層。漩渦型磁電阻配置於基板上，第一絕緣層覆蓋在漩渦型磁電阻上，其中磁化設定元件配置於第一絕緣層上。第二絕緣層覆蓋在磁化設定元件上。

在本發明的一實施例中，此至少一磁化設定元件包括一第一磁化設定元件與一第二磁化設定元件，且磁場感測裝置更包括一基板、一第一絕緣層、一第二絕緣層及一第三絕緣層。第一磁化設定元件配置於基板上，第一絕緣層覆蓋在第一磁化設定元件上，其中漩渦型磁電阻配置於第一絕緣層上。第二絕緣層覆蓋在漩渦型磁電阻上，其中第二磁化設定元件配置於第二絕緣層上。第三絕緣層覆蓋在第二磁化設定元件上。

在本發明的一實施例中，此至少一漩渦型磁電阻為電性連接成一惠斯登電橋的多個漩渦型磁電阻。當這些漩渦型磁電阻處於感測外在磁場的狀態時，惠斯登電橋輸出對應於外在磁場的一差分訊號。

在本發明的一實施例中，惠斯登電橋電性連接至一運算器。當這些漩渦型磁電阻處於其圓形自由層處於磁飽和的狀態時，惠斯登電橋輸出一空訊號。運算器用以將對應於外在磁場的差分訊號減去空訊號，以得到一淨輸出訊號。

在本發明的一實施例中，這些漩渦型磁電阻包括一第一漩渦型磁電阻、一第二漩渦型磁電阻、一第三漩渦型磁電阻及一第四漩渦型磁電阻。第一漩渦型磁電阻電性連接至第三漩渦型磁電阻及第四漩渦型磁電阻，第二漩渦型磁電阻電性連接至第三漩渦型磁電阻及第四漩渦型磁電阻，第一漩渦型磁電阻的釘扎方向相同於第二漩渦型磁電阻的釘扎方向，第三漩渦型磁電阻的釘扎方向相同於第四漩渦型磁電阻的釘扎方向，且第一漩渦型磁電阻的釘扎方向相反於第三漩渦型磁電阻的釘扎方向。

在本發明的一實施例中，此至少一磁化設定元件通電時在第一至第四漩渦型磁電阻處所產生的磁場的方向垂直於第一至第四漩渦型磁電阻的釘扎方向。

在本發明的一實施例中，間隔層為一非磁性金屬層，而漩渦型磁電阻為一巨磁電阻。

在本發明的一實施例中，間隔層為一絕緣層，而漩渦型磁電阻為一穿隧磁電阻。

在本發明的一實施例中，此至少一磁化設定元件為導電片、導電線圈、導線或導體。

在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用具有漩渦形磁化方向分佈的圓形自由層，因此漩渦型磁電阻所能感測的外在磁場方向較不受限制。此外，在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用了能夠破壞圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈的磁化設定元件以量測出磁場感測裝置本身存在的閃爍雜訊，因此本發明的實施例的磁場感測裝置能夠有效克服閃爍雜訊的干擾。

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。

圖1是本發明的一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖，圖2是圖1中的漩渦型磁電阻與磁化設定元件的上視示意圖，且圖3為圖1中的漩渦型磁電阻的立體示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例的磁場感測裝置100包括至少一漩渦型磁電阻200及至少一磁化設定元件110。此至少一漩渦型磁電阻200包括一釘扎層210、一受釘扎層220、一間隔層230及一圓形自由層240。受釘扎層220配置於釘扎層210上，間隔層230配置於受釘扎層220上，而圓形自由層240配置於間隔層230上。在本實施例中，釘扎層210提供一釘扎方向（pinning direction）P1，其使受釘扎層220的磁化方向固定於釘扎方向P1上。在本實施例中，釘扎層210的材料是反鐵磁性材料（antiferromagnetic material），受釘扎層220與圓形自由層240的材料是鐵磁性材料（ferromagnetic material），其中圓形自由層240的材料是軟磁性材料（soft magnetic material）。

在本實施例中，磁場感測裝置100可處於由第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3所建構的空間中，其中第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3彼此互相垂直。在本實施例中，釘扎方向P1平行於第二方向D2，且釘扎層210、受釘扎層220、間隔層230及圓形自由層240等各膜層皆平行於第一方向D1與第二方向D2所建構的平面。

圓形自由層240具有漩渦形磁化方向分佈。具體而言，當不存在外在磁場時，圓形自由層240的磁化方向ML沿著圓形自由層240的圓形輪廓排列成多個圓形，這些圓形的直徑逐漸縮小而終至收斂於圓形輪廓的中心。磁化方向ML的排列可以是順時針方向的，也可以是逆時針方向的。在圓形自由層240的中心會形成一漩渦中心（vortex core）VC，且在漩渦中心VC處的磁化方向是垂直於圓形自由層240的方向，其可朝上（即朝向圖2與圖3中的第三方向D3）或朝下（即朝向與第三方向D3相反的方向）。此時，整個圓形自由層240的靜磁化量（net magnetization）為零。

在本實施例中，漩渦型磁電阻200可以是巨磁電阻（giant magnetoresistor, GMR）或穿隧磁電阻（tunneling magnetoresistor, TMR）。當漩渦型磁電阻200為巨磁電阻時，其間隔層230為一非磁性金屬層；而當漩渦型磁電阻200為穿隧磁電阻時，其間隔層230為一絕緣層。

此至少一磁化設定元件110配置於此至少一漩渦型磁電阻200的一側。在本實施例中，磁化設定元件110例如為導電片、導電線圈、導線或導體，其可藉由通電流而產生磁場，以在圓形自由層240處產生用以設定圓形自由層240的磁化方向的磁場。

此至少一磁化設定元件110交替地通電與不通電。當此至少一磁化設定元件110不通電時，圓形自由層240的漩渦形磁化方向分佈隨著外在磁場而變化，以達到對外在磁場的感測。當此至少一磁化設定元件110通電時，此至少一磁化設定元件110所產生的磁場破壞了圓形自由層240的漩渦形磁化方向分佈，並使圓形自由層240達到磁飽和。

具體而言，請參照圖4A，當有一沿著第一方向D1的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的一側的面積會變大，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一側的面積會變小，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第一方向D1的靜磁化量，且漩渦中心VC往第二方向D2的反方向移動。

請參照圖4B，當有一沿著第一方向D1的反方向的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的一側的面積會變小，在漩渦中心VC的朝向第二方向D2的反方向的一側的面積會變大，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第一方向D1的反方向的靜磁化量，且漩渦中心VC往第二方向D2移動。

請參照圖4C，當有一沿著第二方向D2的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的一側的面積會變小，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一側的面積會變大，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第二方向D2的靜磁化量，且漩渦中心VC往第一方向D1移動。

請參照圖4D，當有一沿著第二方向D2的反方向的外在磁場H經過漩渦型磁電阻200時，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的一側的面積會變大，在漩渦中心VC的朝向第一方向D1的反方向的一側的面積會變小，且這兩側面積中的磁化方向相反，導致整個圓形自由層240產生一個朝向第二方向D2的反方向的靜磁化量，且漩渦中心VC往第一方向D1的反方向移動。

圖5繪示圖3中的漩渦型磁電阻於不同方向的外來磁場的作用下及沒有外來磁場的情況下電阻值的變化。請參照圖3、圖4A至圖4D及圖5，圖5中的曲線圖表現了漩渦型磁電阻200的電阻值R相對於外在磁場H的變化。如圖5的左上圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向P1同向之外在磁場H時，如圖4C所繪示圓形自由層240在釘扎方向P1上會產生一個淨磁化量，而使得電阻值R下降，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。如圖5的左下圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向P1相反方向之外在磁場H時，如圖4D所繪示圓形自由層240在釘扎方向P1的反方向上會產生一個淨磁化量，而使得電阻值R上升，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。如圖5的右上圖所示，當漩渦型磁電阻200被施加一與釘扎方向P1垂直之外在磁場H時，如圖4A或圖4B所繪示圓形自由層240在垂直於釘扎方向P1的方向上產生一個淨磁化量，此淨磁化量在釘扎方向P1上的正投影量為零，而使得電阻值R維持不變，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。另外，如圖5的右下圖所示，當漩渦型磁電阻200沒有被施加磁場時，其電阻值R維持不變，即曲線圖中黑圓點所對應的電阻值R的數值。

圖6A至圖6D繪示圖1與圖2之漩渦型磁電阻在受到磁化設定元件所施加的磁場後所產生的飽和磁化量的方向。請參照圖1、圖2及圖6A，當如圖1及圖2的磁化設定元件110通有一流向第二方向D2的電流I時，會在圓形自由層240處產生朝向第一方向D1的強磁場，而使得圓形自由層240達到磁飽和，並在第一方向D1上產生飽和磁化量。此時圓形自由層240形成單磁域（single domain），其各位置的磁化方向均朝向第一方向D1。由於此飽和磁化量與釘扎方向P1（即第二方向D2）垂直，因此漩渦型磁電阻200的電阻值R理論上不產生變化。

請再參照圖1、圖2及圖6B，當如圖1及圖2的磁化設定元件110的電流I流向改成流向第二方向D2的反方向時，會在圓形自由層240處產生朝向第一方向D1的反方向的強磁場，而使得圓形自由層240達到磁飽和，並在第一方向D1的反方向上產生飽和磁化量。此時圓形自由層240形成單磁域，其各位置的磁化方向均朝向第一方向D1的反方向。由於此飽和磁化量與釘扎方向P1（即第二方向D2）垂直，因此漩渦型磁電阻200的電阻值R理論上不產生變化。

請再參照圖1、圖2及圖6C，當如圖1及圖2的磁化設定元件110的延伸方向從原本的第二方向D2改為第一方向D1時，且電流I的流向改成流向第一方向D1的反方向時，會在圓形自由層240處產生朝向第二方向D2的強磁場，而使得圓形自由層240達到磁飽和，並在第二方向D2上產生飽和磁化量。此時圓形自由層240形成單磁域，其各位置的磁化方向均朝向第二方向D2。由於此飽和磁化量與釘扎方向P1（即第二方向D2）一致，因此漩渦型磁電阻200的電阻值R會降低至最小值。

請再參照圖1、圖2及圖6D，當如圖1及圖2的磁化設定元件110的延伸方向從原本的第二方向D2改為第一方向D1時，且電流I的流向改成流向第一方向D1時，會在圓形自由層240處產生朝向第二方向D2的反方向的強磁場，而使得圓形自由層240達到磁飽和，並在第二方向D2的反方向上產生飽和磁化量。此時圓形自由層240形成單磁域，其各位置的磁化方向均朝向第二方向D2的反方向。由於此飽和磁化量與釘扎方向P1（即第二方向D2）相反，因此漩渦型磁電阻200的電阻值R會上升至最大值。

當磁化設定元件110不通電流時，漩渦型磁電阻200是處於可感測外在磁場H的情況下，如圖4A至圖4D所繪示，此時漩渦型磁電阻200的輸出訊號是包含了對應於外在磁場H的部分與對應於系統的閃爍雜訊的部分。而當磁化設定元件110通電流而使漩渦型磁電阻200達到磁飽和時，漩渦型磁電阻的輸出訊號則是對應於系統的閃爍雜訊。因此，當磁化設定元件110交替地通電與不通電，並將此兩種狀態下漩渦型磁電阻200的輸出訊號相減，便能夠扣除系統的閃爍雜訊的影響，而得到較為準確的對應於外在磁場H的訊號。

在本實施例中，磁場感測裝置100更包括一基板120、一第一絕緣層130及一第二絕緣層140。磁化設定元件110配置於基板120上，第一絕緣層130覆蓋在磁化設定元件110上，漩渦型磁電阻200配置於第一絕緣層130上，且第二絕緣層140覆蓋在漩渦型磁電阻200上。在本實施例中，基板120為線路基板，例如為具有電路的半導體基板。

圖7繪示圖1之漩渦型磁電阻的轉換曲線（transfer curve）。請參照圖圖1、圖2、圖3與圖7，當沿著釘扎方向P1的反方向的一正的外在磁場H或一負的外在磁場H被施加在漩渦型磁電阻200上時，漩渦型磁電阻200的電阻值R先隨著外在磁場H的絕對值的增加而增加或減少。當外在磁場H的強度增加或減少至H_an 或-H_an 時，漩渦型磁電阻200的電阻值R達到一個飽和值R+ΔR_s 或R-ΔR_s ，此時漩渦中心VC消失了，且圓形自由層240具有單磁域且其淨磁化量達到飽和磁化量。

當外在磁場H的絕對值從上述飽和點開始減少時（即從H_an 開始減少或從-H_an 開始增加時），漩渦型磁電阻200繼續維持在飽和值（即R+ΔR_s 或R-ΔR_s ），直到外在磁場H的絕對值小於H_re 時（即外在磁場小於H_re 或大於-H_re 時），漩渦中心VC才重新出現。

如此一來，漩渦型磁電阻200的一第一工作範圍H_dy '可定義為從-H_re 至+H_re ，而一第二工作範圍可為H_dy 以外的範圍，也就是小於-H_an 或大於+H_an 的範圍。在第一工作範圍內，圓形自由層240的漩渦形磁化方向分佈穩定地存在。在第二工作範圍內，磁化設定元件110所設定的磁場的絕對值超過了+H_an 或-H_an 的絕對值，此時圓形自由層240變成具有飽和淨磁化量的單磁域。

圖8為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。請參照圖1、圖2、圖3及圖8，在圖1、圖2及圖3中是以一個漩渦型磁電阻200與一個磁化設定元件110為例進行說明，而在一實施例中，如圖8所繪示，磁場感測裝置100可包括多個漩渦型磁電阻200（例如第一漩渦型磁電阻R1、第二漩渦型磁電阻R2、第三漩渦型磁電阻R3及第四漩渦型磁電阻R4等4個漩渦型磁電阻）及多個磁化設定元件110（例如兩個磁化設定元件110，這兩個磁化設定元件110其中之一與漩渦型磁電阻R1與R3重疊，而另一個與漩渦型磁電阻R2與R4重疊）。也就是說，這些漩渦型磁電阻200為電性連接成一惠斯登電橋的多個漩渦型磁電阻200，而當這些漩渦型磁電阻200處於感測外在磁場的狀態時（也就是磁化設定元件110不通電時），惠斯登電橋輸出對應於外在磁場的一差分訊號。

具體而言，第一漩渦型磁電阻R1電性連接至第三漩渦型磁電阻R3及第四漩渦型磁電阻R4，第二漩渦型磁電阻R2電性連接至第三漩渦型磁電阻R3及第四漩渦型磁電阻R4。此外，第一漩渦型磁電阻R1的釘扎方向P1相同於第二漩渦型磁電阻R2的釘扎方向P1，其皆為朝向第二方向D2。第三漩渦型磁電阻R3的釘扎方向P1相同於第四漩渦型磁電阻R4的釘扎方向P1，其皆為朝向第二方向D2的反方向。此外，第一漩渦型磁電阻R1的釘扎方向P1相反於第三漩渦型磁電阻R3的釘扎方向P1。

當外在磁場在第二方向D2上有一磁場分量時，第一漩渦型磁電阻R1的電阻值產生了-ΔR的變化，且第二漩渦型磁電阻R2的電阻值產生了-ΔR的變化。此外，由於第三漩渦型磁電阻R3與第四漩渦型磁電阻R4的釘扎方向P1是朝向第二方向D2的反方向，因此第三漩渦型磁電阻R3的電阻值產生了+ΔR的變化，且第四漩渦型磁電阻R4的電阻值產生了+ΔR的變化。如此一來，當接點Q1接收一參考電壓VDD，而接點Q2耦接至地（ground）時，接點Q3與接點Q4之間的電壓差會是(VDD)×(ΔR/R)，其可以為一輸出訊號，而此輸出訊號為一差分訊號，其中小會對應外在磁場在第二方向D2上的磁場分量的大小。其中，接點Q1耦接至第一漩渦型磁電阻R1與第四漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑，接點Q2耦接至第二漩渦型磁電阻R2與第三漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，接點Q3耦接至第一漩渦型磁電阻R1與第三漩渦型磁電阻R3之間的導電路徑，而接點Q4耦接至第二漩渦型磁電阻R2與第四漩渦型磁電阻R4之間的導電路徑。

在本實施例中，上述惠斯登電橋電性連接至一運算器160。當這些漩渦型磁電阻200處於其圓形自由層240處於磁飽和的狀態時，惠斯登電橋輸出一空訊號，運算器160用以將對應於外在磁場的差分訊號減去空訊號，以得到一淨輸出訊號，而此淨輸出訊號已扣除了閃爍雜訊的影響，而能夠較為準確地反應出外在磁場的大小。在本實施例中，磁化設定元件110通電時，電流I流向第二方向D2，因此其在第一至第四漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4處所產生的磁場的方向垂直於第一至第四漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4的釘扎方向P1。此時，空訊號只包含了閃爍雜訊的部分，因此將對應於外在磁場的差分訊號減去空訊號，即可以得到能夠反應外在磁場的淨輸出訊號。然而，當磁化設定元件110的擺設方式是使在第一至第四漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4處所產生的磁場的方向平行或反平行於第一至第四漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4的釘扎方向P1時，則空訊號除了包含閃爍雜訊的部分之外，還包括了飽和訊號（可以是正值或負值），即第一至第四漩渦型磁電阻R1、R2、R3及R4的一部分的電阻值增加至最大值，而另一部分的電阻值增加至最小值。此時運算器將對應於外在磁場的差分訊號減去空訊號，可再加回或扣除飽和訊號，以得到能夠準確對應外在磁場的淨輸出訊號。在本實施例中，運算器160例如是一算術運算器，其可設置於基板120上或基板120中。

圖9為圖8之惠斯登電橋的輸出訊號的示意波形圖。請參照圖8與圖9，當惠斯登電橋交替地在感測狀態（即磁化設定元件110不通電時）及空狀態（null state）（即磁化設定元件110通有電流I時）之間切換時，在感測狀態時惠斯登電橋所輸出的電壓訊號為V_s ，而在空狀態時惠斯登電橋所輸出的電壓訊號為V_n 。運算器則計算V_s -V_n ，以得到淨輸出訊號並將其輸出。

圖10為本發明之另一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖。請參照圖10，本實施例之磁場感測裝置100a類似於圖1之磁場感測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例之磁場感測裝置100a中，漩渦型磁電阻200配置於基板120上，且第一絕緣層130覆蓋在漩渦型磁電阻200上。此外，磁化設定元件110配置於第一絕緣層130上，且第二絕緣層140覆蓋在磁化設定元件110上。如此一來，當磁化設定元件110通有電流I時，仍能在漩渦型磁電阻200處產生強磁場。

圖11為本發明之又一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖。請參照圖10，本實施例之磁場感測裝置100b類似於圖1之磁場感測裝置100，而兩者的差異如下所述。本實施例之磁場感測裝置100b的至少一磁化設定元件110包括一第一磁化設定元件1101與一第二磁化設定元件1102，且磁場感測裝置100b更包括一第三絕緣層150。此外，第一磁化設定元件1101配置於基板120上，第一絕緣層130覆蓋在第一磁化設定元件1101上，漩渦型磁電阻200配置於第一絕緣層130上，第二絕緣層140覆蓋在漩渦型磁電阻200上。另外，第二磁化設定元件1102配置於第二絕緣層140上，且第三絕緣層150覆蓋在第二磁化設定元件1102上。如此一來，當第一磁化設定元件1101與第二磁化設定元件1102通有電流I時，仍能在漩渦型磁電阻200處產生強磁場。

綜上所述，在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用具有漩渦形磁化方向分佈的圓形自由層，因此漩渦型磁電阻所能感測的外在磁場方向較不受限制。此外，在本發明的實施例的磁場感測裝置中，由於採用了能夠破壞圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈的磁化設定元件以量測出磁場感測裝置本身存在的閃爍雜訊，因此本發明的實施例的磁場感測裝置能夠有效克服閃爍雜訊的干擾。

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。

100、100a、100b‧‧‧磁場感測裝置 110‧‧‧磁化設定元件 1101‧‧‧第一磁化設定元件 1102‧‧‧第二磁化設定元件 120‧‧‧基板 130‧‧‧第一絕緣層 140‧‧‧第二絕緣層 150‧‧‧第三絕緣層 160‧‧‧運算器 200‧‧‧漩渦型磁電阻 210‧‧‧釘扎層 220‧‧‧受釘扎層 230‧‧‧間隔層 240‧‧‧圓形自由層 D1‧‧‧第一方向 D2‧‧‧第二方向 D3‧‧‧第三方向 H‧‧‧外在磁場 I‧‧‧電流 ML‧‧‧磁化方向 P1‧‧‧釘扎方向 Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧接點 R‧‧‧電阻值 R1‧‧‧第一漩渦型磁電阻 R2‧‧‧第二漩渦型磁電阻 R3‧‧‧第三漩渦型磁電阻 R4‧‧‧第四漩渦型磁電阻 VC‧‧‧漩渦中心

圖1是本發明的一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖。圖2是圖1中的漩渦型磁電阻與磁化設定元件的上視示意圖。圖3為圖1中的漩渦型磁電阻的立體示意圖。圖4A至圖4D分別繪示圖3中的圓形自由層受到四個不同方向的外在磁場所產生的四種磁化方向分佈的變化。圖5繪示圖3中的漩渦型磁電阻於不同方向的外來磁場的作用下及沒有外來磁場的情況下電阻值的變化。圖6A至圖6D繪示圖1與圖2之漩渦型磁電阻在受到磁化設定元件所施加的磁場後所產生的飽和磁化量的方向。圖7繪示圖1之漩渦型磁電阻的轉換曲線。圖8為本發明的一實施例的磁場感測裝置的上視示意圖。圖9為圖8之惠斯登電橋的輸出訊號的示意波形圖。圖10為本發明之另一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖。圖11為本發明之又一實施例的磁場感測裝置的剖面示意圖。

100‧‧‧磁場感測裝置

110‧‧‧磁化設定元件

120‧‧‧基板

130‧‧‧第一絕緣層

140‧‧‧第二絕緣層

200‧‧‧漩渦型磁電阻

240‧‧‧圓形自由層

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

I‧‧‧電流

Claims

一種磁場感測裝置，包括：至少一漩渦型磁電阻，包括：一釘扎層；一受釘扎層，配置於該釘扎層上；一間隔層，配置於該受釘扎層上；以及一圓形自由層，配置於該間隔層上，且具有漩渦形磁化方向分佈；以及至少一磁化設定元件，配置於該至少一漩渦型磁電阻的一側，其中該至少一磁化設定元件交替地通電與不通電，當該至少一磁化設定元件不通電時，該圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈隨著外在磁場而變化，以達到對該外在磁場的感測；當該至少一磁化設定元件通電時，該至少一磁化設定元件所產生的磁場破壞了該圓形自由層的漩渦形磁化方向分佈，並使該圓形自由層達到磁飽和。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括：一基板，其中該磁化設定元件配置於該基板上；一第一絕緣層，覆蓋在該磁化設定元件上，其中該漩渦型磁電阻配置於該第一絕緣層上；以及一第二絕緣層，覆蓋在該漩渦型磁電阻上。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，更包括：一基板，其中該漩渦型磁電阻配置於該基板上；一第一絕緣層，覆蓋在該漩渦型磁電阻上，其中該磁化設定元件配置於該第一絕緣層上；以及一第二絕緣層，覆蓋在該磁化設定元件上。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該至少一磁化設定元件包括一第一磁化設定元件與一第二磁化設定元件，該磁場感測裝置更包括：一基板，其中該第一磁化設定元件配置於該基板上；一第一絕緣層，覆蓋在該第一磁化設定元件上，其中該漩渦型磁電阻配置於該第一絕緣層上；一第二絕緣層，覆蓋在該漩渦型磁電阻上，其中該第二磁化設定元件配置於該第二絕緣層上；以及一第三絕緣層，覆蓋在該第二磁化設定元件上。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該至少一漩渦型磁電阻為電性連接成一惠斯登電橋的多個漩渦型磁電阻，當該些漩渦型磁電阻處於感測該外在磁場的狀態時，該惠斯登電橋輸出對應於該外在磁場的一差分訊號。
如申請專利範圍第5項所述的磁場感測裝置，其中該惠斯登電橋電性連接至一運算器，當該些漩渦型磁電阻處於其圓形自由層處於磁飽和的狀態時，該惠斯登電橋輸出一空訊號，該運算器用以將對應於該外在磁場的該差分訊號減去該空訊號，以得到一淨輸出訊號。
如申請專利範圍第5項所述的磁場感測裝置，其中該些漩渦型磁電阻包括一第一漩渦型磁電阻、一第二漩渦型磁電阻、一第三漩渦型磁電阻及一第四漩渦型磁電阻，該第一漩渦型磁電阻電性連接至該第三漩渦型磁電阻及該第四漩渦型磁電阻，該第二漩渦型磁電阻電性連接至該第三漩渦型磁電阻及該第四漩渦型磁電阻，該第一漩渦型磁電阻的釘扎方向相同於該第二漩渦型磁電阻的釘扎方向，該第三漩渦型磁電阻的釘扎方向相同於該第四漩渦型磁電阻的釘扎方向，且該第一漩渦型磁電阻的釘扎方向相反於該第三漩渦型磁電阻的釘扎方向。
如申請專利範圍第7項所述的磁場感測裝置，其中該至少一磁化設定元件通電時在該第一至第四漩渦型磁電阻處所產生的磁場的方向垂直於該第一至第四漩渦型磁電阻的釘扎方向。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該間隔層為一非磁性金屬層，而該漩渦型磁電阻為一巨磁電阻。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該間隔層為一絕緣層，而該漩渦型磁電阻為一穿隧磁電阻。
如申請專利範圍第1項所述的磁場感測裝置，其中該至少一磁化設定元件為導電片、導電線圈、導線或導體。