磁力傳感器原理：一文讀懂磁傳感器（必須收藏）
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文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）
我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對(duì)于現(xiàn)代傳感器技術(shù)來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。
而在當(dāng)今的電子時(shí)代，磁傳感器在電機(jī)、電力電子技術(shù)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人、辦公自動(dòng)化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。
磁傳感器
磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以這種方式來檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。用于感測(cè)速度、運(yùn)動(dòng)和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無線和消費(fèi)電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。
磁傳感器市場(chǎng)按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：
霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器、
各向異性磁阻（AMR）傳感器、
巨磁阻（GMR）傳感器
隧道磁阻（TMR）傳感器
其中，霍爾效應(yīng)傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應(yīng)用。隨著持續(xù)的技術(shù)研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。
霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器
1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但因金屬的霍爾效應(yīng)很弱而一直沒有實(shí)際應(yīng)用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。
在半導(dǎo)體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個(gè)現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢(shì)差，稱為霍爾電壓U。
霍爾電壓U與半導(dǎo)體薄膜厚度d，電場(chǎng)B和電流I的關(guān)系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數(shù)，與半導(dǎo)體磁性材料有關(guān)。
霍爾效應(yīng)示意圖
霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關(guān)和磁力計(jì)三種。
1. 線性型霍爾傳感器
由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
線性型霍爾傳感器工作原理
霍爾線性器件擁有很寬的磁場(chǎng)量測(cè)范圍，并能識(shí)別磁極。其應(yīng)用領(lǐng)域有電力機(jī)車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測(cè)光伏匯流箱實(shí)時(shí)輸出電流的作用、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等。 線性霍爾傳感器還可以用于測(cè)量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測(cè)、水流探測(cè)等。
2. 開關(guān)型霍爾傳感器
由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。
開關(guān)型霍爾傳感器工作原理
霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。開關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，則完成了一次開關(guān)動(dòng)作，輸出數(shù)字信號(hào)，可以計(jì)算汽車或機(jī)器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機(jī)車的自動(dòng)門開關(guān)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、門禁和防盜報(bào)警器、自動(dòng)販賣機(jī)、打印機(jī)等。
3. 磁力計(jì)
是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差來測(cè)算外界磁場(chǎng)的大小和極性。磁力計(jì)是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對(duì)一般IC更為簡(jiǎn)單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調(diào)節(jié)處理器等）相連。
但這樣設(shè)計(jì)的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場(chǎng)變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測(cè)平行于管芯方向的磁場(chǎng)。由此，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計(jì)的跨越式發(fā)展。
圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖
圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖
磁力計(jì)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和導(dǎo)航設(shè)備等移動(dòng)終端，擁有巨大的市場(chǎng)前景。同時(shí)，磁力計(jì)可以與加速度計(jì)組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實(shí)現(xiàn)9軸組合傳感器，構(gòu)成更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。
各向異性磁阻（AMR）傳感器
某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場(chǎng)時(shí)，其電阻值會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。
1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對(duì)于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場(chǎng)和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。
當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁體內(nèi)建磁場(chǎng)方向成零度角時(shí), 電阻是不會(huì)隨著外加磁場(chǎng)變化而發(fā)生改變的；但當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁體的內(nèi)建磁場(chǎng)有一定角度的時(shí)候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，薄膜電阻降低, 我們對(duì)這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡(jiǎn)稱AMR）。磁場(chǎng)作用效果下圖。
坡莫合金的AMR效應(yīng)
磁阻變化值與角度變化的關(guān)系
薄膜合金的電阻R就會(huì)因角度變化而變化，電阻與磁場(chǎng)特性是非線性的，且每一個(gè)電阻并不與唯一的外加磁場(chǎng)值成對(duì)應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時(shí)，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時(shí)，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸出的線性特性。
AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向就會(huì)朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì)增加；而另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向會(huì)朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過測(cè)試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號(hào)，可以得到外界磁場(chǎng)值。
AMR磁阻傳感器等效電路
各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：
1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場(chǎng)范圍是以地球磁場(chǎng)為中心，對(duì)于以地球磁場(chǎng)作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來說，具有廣大的運(yùn)作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。
2.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗(yàn)證，可以達(dá)到在地球磁場(chǎng)中測(cè)量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。
3.AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡(jiǎn)單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢(shì)。
4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無局限性。
AMR磁阻傳感器可以很好地感測(cè)地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的弱磁場(chǎng)測(cè)量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測(cè)一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測(cè)量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。
巨磁阻（GMR）傳感器
與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因?yàn)镚MR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和AMR效應(yīng)晚了100多年。
1988年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時(shí)，法國科學(xué)家費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費(fèi)爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
一般的磁鐵金屬，在加磁場(chǎng)和不加磁場(chǎng)下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構(gòu)成的多層膜，在室溫下可以達(dá)到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應(yīng)的命名緣由。
GMR和AMR在外加磁場(chǎng)下電阻率變化示意圖
“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應(yīng)，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機(jī)理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強(qiáng)度和電流的相對(duì)取向有關(guān)。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強(qiáng)度和電流的相對(duì)取向基本無關(guān)。
巨磁阻效應(yīng)僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對(duì)取向，外磁場(chǎng)的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對(duì)取向。除此以外，GMR效應(yīng)更重要的意義是為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學(xué)（Spintronics）以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
GMR效應(yīng)的首次商業(yè)化應(yīng)用是1997年，由IBM公司投放市場(chǎng)的硬盤數(shù)據(jù)讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
GMR傳感器的材料結(jié)構(gòu)
具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結(jié)合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的GMR磁阻傳感器中應(yīng)用比較廣泛。
自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結(jié)構(gòu)。
自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)
GMR磁阻傳感器由四個(gè)巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個(gè)FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個(gè)界面為高阻態(tài)，一個(gè)界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)電子可以在晶體內(nèi)自由移動(dòng)，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài)；而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。
平行磁場(chǎng)和反平行磁場(chǎng)作用下的等效電路圖
GMR磁阻傳感器商業(yè)化時(shí)間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測(cè)到弱磁場(chǎng)且信號(hào)好，溫度對(duì)器件性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此市場(chǎng)占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)、國防軍事及醫(yī)療生物方面均有所涉及。
隧道磁阻（TMR）傳感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān)TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢。在GMR效應(yīng)的深入研究下，同為磁電子學(xué)的TMR效應(yīng)才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發(fā)現(xiàn)為TMR磁阻傳感器的發(fā)展契機(jī)。
2001年，Butler和Mathon各自做出理論預(yù)測(cè)：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達(dá)到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實(shí)驗(yàn)證明了磁性隧道結(jié)（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應(yīng)。2008年，日本東北大學(xué)的S. Ikeda, H. Ohno團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達(dá)到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應(yīng)具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來越重視TMR效應(yīng)的研究和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。
TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對(duì)于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。
TMR磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理
從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時(shí)器件為低阻狀態(tài)；
當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時(shí)隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。
可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時(shí)，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。
TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型
TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對(duì)于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比
作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭領(lǐng)域。相信TMR磁傳感技術(shù)將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻(xiàn)。
磁傳感器的發(fā)展,在本世紀(jì)70～80 年代形成高潮。90 年代是已發(fā)展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時(shí)期。
磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個(gè)方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。
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磁力傳感器原理：淺析磁力傳感器工作原理
電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來。
要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個(gè)檢測(cè)磁場(chǎng)的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。
1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識(shí)
如圖1所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌?chǎng)方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖1 地磁場(chǎng)分布圖
地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如圖2所示。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖2 地磁場(chǎng)矢量分解示意圖
實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0？- 360？之間變化。
2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計(jì)工作原理
在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個(gè)主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測(cè)量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場(chǎng)在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖3 AMR材料示意圖
磁力計(jì)的基本工作原理
圖4 45o角排列的導(dǎo)線
當(dāng)有外界磁場(chǎng)Ha時(shí)，AMR上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角θ也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對(duì)于AMR材料來說，θ角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。
ST利用惠斯通電橋檢測(cè)AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測(cè)到外界磁場(chǎng)的時(shí)候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓?V。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖7 惠斯通電橋
當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場(chǎng)的作用下電阻變化為?R時(shí)，電橋輸出？V正比于？R。這就是磁力計(jì)的工作原理。
2.2 置位/復(fù)位（Set/Reset）電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會(huì)永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路
置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點(diǎn)：
1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。
2） 即使長時(shí)間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量，不會(huì)因?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?nèi)部噪音增大而影響測(cè)量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)
LSM303DLH集成三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)的測(cè)量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場(chǎng)環(huán)境下都能夠保持一致的測(cè)量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確測(cè)量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。
LSM303DLH具有自動(dòng)檢測(cè)功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時(shí)，芯片內(nèi)部的自測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約為地磁場(chǎng)大小的激勵(lì)信號(hào)并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計(jì)以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計(jì)。加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測(cè)量精度。加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時(shí)，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測(cè)，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個(gè)傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個(gè)三軸的磁力計(jì)以測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，一個(gè)三軸加速計(jì)以測(cè)量羅盤傾角，通過信號(hào)條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖
LSM303DLH將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號(hào)條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測(cè)和輸出，降低了客戶的設(shè)計(jì)難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖
對(duì)于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時(shí)間。LSM303DLH可以分別對(duì)磁力計(jì)和加速計(jì)的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計(jì)和加速計(jì)的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時(shí)，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時(shí)，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場(chǎng)干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場(chǎng)的存在來計(jì)算磁北極的方向。然而由于地球磁場(chǎng)在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個(gè)普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時(shí)仍會(huì)有大約4高斯的磁場(chǎng)，一個(gè)手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時(shí)會(huì)有大約6高斯的磁場(chǎng)，這一特點(diǎn)使得針對(duì)電子設(shè)備表面地球磁場(chǎng)的測(cè)量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。
磁場(chǎng)干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場(chǎng)強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場(chǎng)發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場(chǎng)矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再?zèng)]有外界任何磁場(chǎng)干擾的情況下，此軌跡將會(huì)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)（0，0）為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場(chǎng)干擾的情況時(shí)，測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場(chǎng)β與干擾磁場(chǎng)γ的矢量和。記作：
磁力計(jì)的基本工作原理
磁力計(jì)的基本工作原理
圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡
一般可以認(rèn)為，干擾磁場(chǎng)γ在該點(diǎn)可以視為一個(gè)恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場(chǎng)的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖12。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖12 電流對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響
為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場(chǎng)干擾，主要的工作就是通過計(jì)算將γ求出。
4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對(duì)XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價(jià)于將地球磁場(chǎng)矢量繞著過點(diǎn)O（γx，γy）垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)，而紅色的圓為磁場(chǎng)矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為（（Xmax + Xmin）/2， （Ymax + Ymin）/2）。 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場(chǎng)在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場(chǎng)干擾矢量γ（γx， γy， γz）。
4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個(gè)球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖13 地球磁場(chǎng)空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O（γx， γy， γz）， 即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。公式如下：
磁力計(jì)的基本工作原理
8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動(dòng)，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個(gè)象限，如圖14所示。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖
4.2 十面校準(zhǔn)方法
同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
磁力計(jì)的基本工作原理
如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。
磁力計(jì)的基本工作原理
5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時(shí)候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個(gè)夾角。這個(gè)夾角會(huì)影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。
對(duì)于一個(gè)物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個(gè)定義。Pitch（Φ）定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颍籖oll（θ）定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颉Ｓ蒔itch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
磁力計(jì)的基本工作原理磁力計(jì)的基本工作原理
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測(cè)出三個(gè)軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計(jì)算出Pitch和Roll。
磁力計(jì)的基本工作原理
圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)
磁力計(jì)的基本工作原理
式3可以將磁力計(jì)測(cè)得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計(jì)算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計(jì)算出航向角。
磁力傳感器原理：磁力計(jì)的基本工作原理(ST集成傳感器方案實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能)
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文章目錄
1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識(shí)2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH2.1 磁力計(jì)工作原理2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
3. ST電子羅盤方案介紹4. 鐵磁場(chǎng)干擾及校準(zhǔn)4.1 平面校準(zhǔn)方法4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算6．Android平臺(tái)指南針的實(shí)現(xiàn)
電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來。
要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個(gè)檢測(cè)磁場(chǎng)的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。
1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識(shí)
如圖1所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌?chǎng)方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)的強(qiáng)度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
圖1 地磁場(chǎng)分布圖
地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如圖2所示。
圖2 地磁場(chǎng)矢量分解示意圖
實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0?- 360?之間變化。
2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計(jì)工作原理
在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個(gè)主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測(cè)量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45o角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場(chǎng)在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
圖3 AMR材料示意圖
圖4 45o角排列的導(dǎo)線
當(dāng)有外界磁場(chǎng)Ha時(shí)，AMR上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角θ也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對(duì)于AMR材料來說，θ角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。
圖5 磁場(chǎng)方向和電流方向的夾角
圖6 θ-R特性曲線
ST利用惠斯通電橋檢測(cè)AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測(cè)到外界磁場(chǎng)的時(shí)候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓?V。
圖7 惠斯通電橋
當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場(chǎng)的作用下電阻變化為?R時(shí)，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計(jì)的工作原理。
2.2 置位/復(fù)位(Set/Reset)電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會(huì)永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
圖8 LSM303DLH置位/復(fù)位電路
置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點(diǎn)：
1） 即使遇到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。
2） 即使長時(shí)間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量，不會(huì)因?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?nèi)部噪音增大而影響測(cè)量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)
LSM303DLH集成三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)的測(cè)量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場(chǎng)環(huán)境下都能夠保持一致的測(cè)量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確測(cè)量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。
LSM303DLH具有自動(dòng)檢測(cè)功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時(shí)，芯片內(nèi)部的自測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約為地磁場(chǎng)大小的激勵(lì)信號(hào)并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計(jì)以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計(jì)。加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測(cè)量精度。加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時(shí)，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測(cè)，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個(gè)傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個(gè)三軸的磁力計(jì)以測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，一個(gè)三軸加速計(jì)以測(cè)量羅盤傾角，通過信號(hào)條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。
圖9 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖
LSM303DLH將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號(hào)條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測(cè)和輸出，降低了客戶的設(shè)計(jì)難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
LSM303DLH的典型應(yīng)用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡(jiǎn)單，磁力計(jì)和加速計(jì)各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復(fù)位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復(fù)位電路的外部匹配電容，由于對(duì)置位脈沖和復(fù)位脈沖有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。
圖10 LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖
對(duì)于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時(shí)間。LSM303DLH可以分別對(duì)磁力計(jì)和加速計(jì)的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計(jì)和加速計(jì)的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時(shí)，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時(shí)，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場(chǎng)干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場(chǎng)的存在來計(jì)算磁北極的方向。然而由于地球磁場(chǎng)在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個(gè)普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時(shí)仍會(huì)有大約4高斯的磁場(chǎng)，一個(gè)手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時(shí)會(huì)有大約6高斯的磁場(chǎng)，這一特點(diǎn)使得針對(duì)電子設(shè)備表面地球磁場(chǎng)的測(cè)量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。
磁場(chǎng)干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場(chǎng)強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場(chǎng)發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場(chǎng)矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再?zèng)]有外界任何磁場(chǎng)干擾的情況下，此軌跡將會(huì)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)(0,0)為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場(chǎng)干擾的情況時(shí)，測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場(chǎng)β與干擾磁場(chǎng)γ的矢量和。記作：
圖11 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡
一般可以認(rèn)為，干擾磁場(chǎng)γ在該點(diǎn)可以視為一個(gè)恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場(chǎng)的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖12。
圖12 電流對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響
為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場(chǎng)干擾，主要的工作就是通過計(jì)算將γ求出。
4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對(duì)XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價(jià)于將地球磁場(chǎng)矢量繞著過點(diǎn)O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)， 而紅色的圓為磁場(chǎng)矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場(chǎng)在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場(chǎng)干擾矢量γ(γx, γy, γz).
4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個(gè)球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。
圖13 地球磁場(chǎng)空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。公式如下：
8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動(dòng)，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個(gè)象限，如圖14所示。
圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖
4.2 十面校準(zhǔn)方法
同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
圖15 10面交準(zhǔn)法步驟
如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。
圖16 10面校準(zhǔn)后的空間軌跡
5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時(shí)候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個(gè)夾角。這個(gè)夾角會(huì)影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。
對(duì)于一個(gè)物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個(gè)定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颍籖oll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颉Ｓ蒔itch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測(cè)出三個(gè)軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計(jì)算出Pitch和Roll。
圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)
式3可以將磁力計(jì)測(cè)得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計(jì)算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計(jì)算出航向角。
6．Android平臺(tái)指南針的實(shí)現(xiàn)
在當(dāng)前流行的android 手機(jī)中，很多都配備有指南針的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，只需要配備有ST提供的二合一傳感模塊LSM303DLH，ST 提供整套解決方案。Android中的軟件實(shí)現(xiàn)可以由以下框圖表示：
其中包括:
BSP Reference
Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)
HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so
經(jīng)過library 的計(jì)算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運(yùn)用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。
磁力傳感器原理：自制磁力傳感器詳細(xì)步驟
今天我們來自制一個(gè)磁力傳感器。
實(shí)驗(yàn)用品： 塑料盒 導(dǎo)線 鐵絲 銅線 橡皮筋 燈泡
把銅漆包線中間的漆刮掉六厘米,沒有銅漆包線可用其它絕緣銅線代替,同樣要去掉中間的絕緣層.把刮掉絕緣層的銅線折成長一厘米的梳齒狀。在塑料盒的一邊兩角中間的位置鉆兩個(gè)孔。把折好的漆包線穿入鉆好的孔中使梳齒在中心位置，線的兩端在盒子上固定好。
把鐵絲折成8字形。用兩根橡皮筋分別穿進(jìn)8字的兩端，把8字兩端的口封好。把橡皮筋穿進(jìn)塑料盒兩端第一個(gè)縫隙中，使8字形鐵絲與梳齒狀銅線對(duì)應(yīng)，固定好橡皮筋，把軟的銅線接到8字形的鐵絲上，固定好軟銅線。
用磁鐵在盒外靠近8字鐵絲，鐵絲在磁鐵的吸引下與梳齒狀銅線接觸。磁鐵離開，鐵絲與銅線分開，磁鐵再靠近它們又接觸，磁鐵離開它們又分開。
鐵絲就是傳感器的動(dòng)觸點(diǎn)，梳齒狀銅線就是傳感器的靜觸點(diǎn)。
把盒外銅漆包線線頭上的漆刮掉，接上一段軟銅線 。磁力接近傳感器就制作成功了。
把傳感器的動(dòng)觸點(diǎn)端接在蓄電池的正極，靜觸點(diǎn)端與蓄電池負(fù)極間接上小燈泡。把磁鐵在盒外接近觸點(diǎn)，動(dòng)觸點(diǎn)在磁鐵吸引下與靜觸點(diǎn)接觸。小燈炮發(fā)光。磁鐵離開，動(dòng)靜觸點(diǎn)分離，小燈炮熄滅。
把磁鐵反復(fù)接近離開觸點(diǎn)，小燈炮反復(fù)發(fā)光熄滅。
這個(gè)傳感器就相當(dāng)于一個(gè)磁鐵啟動(dòng)的開關(guān)，我們也可稱它為磁力開關(guān)。
把小燈泡換成個(gè)大一點(diǎn)的燈泡。當(dāng)磁鐵接近觸點(diǎn)，燈泡發(fā)關(guān)。磁鐵遠(yuǎn)離，燈炮熄滅。反復(fù)到第三次時(shí)動(dòng)觸點(diǎn)不能分離，燈炮不熄滅。
這個(gè)磁力傳感器在小電流時(shí)能正常工作，電流大一點(diǎn)就不能正常工作。
所有的傳感器都是在小電流下工作的，要用傳感器控制大電流的電器就要用到繼電器。
