TMR电子罗盘.pdf

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。其中TMR惠斯通电桥传感器用于测量X方向和Y方向的磁场。Z方向的磁场即可以由TMR惠斯通电桥传感器来测量，也可以由巨霍尔效应磁传感器来测量，本发明中阐述了这两种设计方案。本发明中的TMR电子罗盘具有以下特性：动态范围宽，测量精度高，封装尺寸小，温度特性好，响应频率高，成本低和抗干扰性强。

1.  三轴TMR电子罗盘，其特征是：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。

2.  如权利要求1所述的三轴TMR电子罗盘，其特征是所述三个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。

3.  如权利要求1所述三轴TMR电子罗盘，其特征是所述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。

4.  两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘，其特征是：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。

5.  如权利要求4所述的两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘，其特征是所述两个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。

6.  如权利要求4所述的两轴TMR和一轴巨霍尔电子罗盘，其特征是所述巨霍尔传感器芯片的材料是多层磁性薄膜结构X/CoPt。

TMR电子罗盘
技术领域
本发明涉及利用隧道结磁阻效应(TMR)原理的电子罗盘。
背景技术
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。
发明内容
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
具体实施方式
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。