采用磁
电阻材料制备的
电子罗盘也被称之为数字罗盘,被广泛应用在导航,
定位,定向领域,其工作原理是测量地
磁场的方向。虽然GPS在上述领域已经得到广泛的应用,但由于其
信号常被
建筑物阻挡,导致
精度大大降低。尤其在高楼林立的市中心和植被茂密的林区,并且在静止的情况下,GPS无法给出方向信息。为了弥补这一不足,通常采用GPS加电子罗盘的组合导航定向方法,从而保证导航定向信息100%有效。
电子罗盘与传统的罗盘及惯性导航设备相比,具有较突出的优点:体积小,功耗低,成本低,灵敏度高,集成度高,响应
频率高,抗冲击性强,能够对
杂散磁场进行补偿,
温度特性好等。基于磁电阻材料制备的电子罗盘以三轴磁
传感器测量
地磁场在X轴,Y轴和Z轴上的分量,加以两轴或三轴的
加速度传感器测量仰
角和
横滚角,中和计算得出地磁场的方位角。
目前制备电子罗盘的传感器有
各向异性磁电阻NiFe传感器,Hall传感器,GMI传感器和GMR传感器。Hall传感器电子罗盘,其功耗较高,灵敏度低,饱合场小。各向异性磁电阻NiFe传感器电子罗盘,其功耗较高,尺寸大,饱合场小。GMI传感器电子罗盘,其功耗高,芯片封装成本高。GMR传感器电子罗盘,其功耗较高,尺寸大,饱合场小,灵敏度低。
本发明提供了利用隧道结磁阻效应原理TMR传感器和巨
霍尔效应传感器制备电子罗盘,解决目前电子罗盘动态范围低容易饱和,测量精度低,封装尺寸较大,功耗高,温度特性差等问题。
按照本发明提供的技术方案,有两种结构的
TMR电子罗盘,分别如下:
三轴TMR电子罗盘包括封装在一起相互之间
位置固定的:三个TMR惠斯通电桥传感器芯片、一个三轴的加速度传感器芯片、一个传感器专用ASIC芯片和一个
微处理器芯片,所述传感器专用ASIC芯片分别与三个TMR惠斯通电桥传感器芯片、三轴的加速度传感器芯片、微处理器芯片相连。所述三个TMR惠斯通电桥传感器芯片所感应的磁场方向分别沿着直角
坐标系X轴、Y轴和Z轴三个方向。所述TMR惠斯通电桥传感器芯片上由4个TMR磁阻元件组成惠斯通电桥。
两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘包括封装在一起相互之间位置固定的:两个TMR惠斯通电桥传感器芯片、一个巨霍尔传感器芯片、一个三轴的加速度传感器芯片、一个传感器专用ASIC芯片和一个微处理器芯片,所述传感器专用ASIC芯片分别与两个TMR惠斯通电桥传感器芯片、巨霍尔传感器芯片、三轴的加速度传感器芯片、微处理器芯片相连。所述两个TMR惠斯通电桥传感器芯片所感应的磁场方向分别沿直角坐标系X轴和Y轴,巨霍尔传感器芯片所感应的磁场方向垂直于Z轴。所述巨霍尔传感器芯片的材料是多层
磁性薄膜结构X/CoPt。
本发明的电子罗盘与现有电子罗盘产品相比,其具有动态范围宽(大于±50Oe),测量精度高(小于0.1°),封装尺寸小(1.5×1.5×0.9毫米),温度特性好,响应频率高,成本低,功耗低和抗干扰性强等优点。
附图说明
图1是TMR工作原理及结构示意图
图2是TMR组成的惠斯通电桥工作原理及结构示意图
图3是三轴TMR电子罗盘的结构示意图
图4是巨霍尔传感器结构及工作原理示意图
图5是两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘的结构示意图
本发明涉及利用隧道结磁阻效应原理(TMR)的电子罗盘。TMR电子罗盘包括TMR惠斯通电桥传感器,巨霍尔效应
磁传感器,三轴加速度传感器芯片,传感器ASIC芯片和微型
中央处理器。用于测量地磁场,从而确定方向。
以下结合附图,对本发明予以进一步地详尽阐述。
隧道结磁阻效应(TMR)的结构,如图1(a)所示,由
纳米级多层膜组成:钉扎层1,磁性被钉扎层2,非磁性
氧化物层3,磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁矩方向如5所示。磁性自由层4的磁矩方向如6所示。磁性被钉扎层2的磁矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直。磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。
隧道结磁阻效应(TMR)的工作原理,隧道结TMR的磁阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。当磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时,隧道结TMR的磁阻也随之变化。如图1(b)所示,当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5平行时,同时外加磁场的强度大于H1时,磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向平行,进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行,如8所示,这时隧道结TMR的磁阻最小。当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5反平行时,同时外加磁场的强度大于H2时,磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向反平行,进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行,如9所示,这时隧道结TMR的磁阻最大。H1与H2之间的磁场范围就是TMR的测量范围。
隧道结磁阻效应(TMR)惠斯通电桥,如图2(a)所示,由四个TMR元件组成211,212,213,214。其中TMR元件211与214的磁性被钉扎层的磁矩方向221,223与TMR元件212,213的磁性被钉扎层的磁矩方向222,224方向反平行。TMR元件211,212,213,214的磁性自由层的方向231,232,233,234相互平行。
电极215,126是TMR惠斯通电桥的
电压输入端,电极217,218是TMR惠斯通电桥的电压输出端。
隧道结磁阻效应(TMR)惠斯通电桥的工作原理,如图2(b)所示,TMR惠斯通电桥的
输出电压V=Vout(+)-Vout(-)=217-218随着外磁场7的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场7的方向为负(-)且磁场强度大于H1时,TMR惠斯通电桥的输出电压最低。当外加磁场7的方向为正(+)且磁场强度大于H2时,TMR惠斯通电桥的输出电压最高。H1与H2之间的磁场范围就是TMR惠斯通电桥的测量范围。
如图3所示,三轴TMR电子罗盘包括三个TMR惠斯通电桥311,312,313,一个三轴加速度传感器芯片314,一个传感器专用芯片315,一个微型中央处理器芯片(MCU)316,,所述传感器专用ASIC芯片分别与三个TMR惠斯通电桥传感器芯片、三轴的加速度传感器芯片、微处理器芯片相连,这些芯片按照一定的排布封装在一起。三个TMR惠斯通电桥传感器芯片311,312,313所感应的磁场方向分别沿着X轴,Y轴和Z轴三个方向相互成90°排列。三轴的加速度传感器芯片314,ASIC芯片315和MCU芯片316排列在与X轴和Y轴方向的TMR惠斯通电桥传感器芯片311和312同一个平面内。三轴TMR电子罗盘的工作原理是:TMR惠斯通电桥311,312和313分别测量出地磁场在X轴,Y轴和Z轴上的分量,三轴的加速度传感器314测量出电子罗盘的仰角和横滚角,经过计算得到地磁场的方位信息。ASIC芯片315的功能是对传感器的信号进行放大,
模数转换,MCU芯片316的功能是对多路传感器的信号进行计算和必须的补偿。
巨霍尔磁场传感器形状如图4(a)所示,其材料是磁性多层薄膜结构(X/CoPt),413和414是
电流输入输出端,411和412是电压输出端。当电流415由电流端414流向413时,如果有外加磁场416(其方向垂直于电流端和电压端组成的平面)作用在巨霍尔磁场传感器上,这是电压端411和412将产生电压差。巨霍尔磁场传感器的工作特性,如图4(b)所示,当传感器有恒定电流通过时,巨霍尔磁场传感器的输出电压V=Vout(+)-Vout(-)=412-411随着外磁场416的方向和大小的改变而发生变化。
如图5所示,两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘包括两个TMR惠斯通电桥311,312,一个巨霍尔磁场传感器511,一个三轴加速度传感器芯片314,一个传感器专用芯片315,一个微型中央处理器(MCU)316,所述传感器专用ASIC芯片分别与两个TMR惠斯通电桥传感器芯片、巨霍尔传感器芯片、三轴的加速度传感器芯片、微处理器芯片相连,这些芯片按照一定的排布封装在一起。两个TMR惠斯通电桥传感器芯片311,312所感应的磁场方向沿着X轴和Y轴防线,巨霍尔传感器芯片511所感应的磁场方向垂直于Z轴方向。三轴的加速度传感器芯片314,ASIC芯片315和MCU芯片316排列在TMR惠斯通电桥传感器芯片和巨霍尔传感器芯片同一个平面内。其工作原理是,两轴TMR惠斯通电桥芯片311和312分别测量出地磁场在X轴,Y轴方向上的分量,而Z轴上的分量由巨霍尔传感器芯片511测得,三轴的加速度传感器314测量出电子罗盘的仰角和横滚角,经过计算得到地磁场的方位信息。ASIC芯片315的功能是对传感器的信号进行放大,模数转换,MCU芯片316的功能是对多路传感器的信号进行计算和必须的补偿。
本发明的电子罗盘用隧道结磁阻效应原理TMR传感器和巨霍尔效应传感器,其具有动态范围宽(大于±50Oe),测量精度高(小于0.1°),封装尺寸小(1.5×1.5×0.9毫米),温度特性好,响应频率高,成本低,功耗低和抗干扰性强等优点。