CN100367001C - 方位计 - Google Patents

Abstract

为提供薄且面积小的方位计。本发明排列了一个平面线圈和至少两组薄膜磁阻元件。这几组薄膜磁阻元件中的每一组构成MR桥，探测和输出地磁场的两个垂直分量，根据输出值得到方位信息。

Description

方位计

技术领域

本发明涉及具有与薄膜磁阻元件(以下称作“磁阻元件”)层叠在一起的平面线圈的平面方位计或方位传感器，还涉及适用于移动器件的体积小、重量轻的方位计。

背景技术

当沿易磁化轴的方向向磁阻元件施加电流的同时在其垂直方向施加磁场时，则电流方向上的电学电阻就会有磁阻效应，也就是说，它随着磁场强度而减小。电学电阻(下文中称作“电阻”)和所施加磁场强度之间的关系基本如图20所示。

假设Hk表示饱和磁场，当对磁阻元件施加大约1/2Hk的偏置磁场时，在外部磁场H和电阻R之间存在基本线性的关系。在施加某一偏置磁场时，外部磁场可通过使用外部磁场H和电阻R之间的线性关系来测量。然后，当用两组施加了合适偏置的磁阻元件探测地磁场互相正交的两个分量时，则可以在一个测量点测量方位。

所使用的方位计或方位传感器包含：MR桥路，由四个如图21所示互相正交的磁阻元件91、92、93和94构成；两个偏置线圈101和102，缠绕在磁阻元件之外的支架上，从而可以以相对于磁阻元件的电流方向成45度角的方向施加两个正交的偏置磁场。图22为其示意性剖视图，而图23为其透视图。

在方位测量中，由一个偏置线圈101(称作x方向线圈)向构成MR桥路的四个磁阻元件91、92、93和94施加+x方向的偏置以测量磁阻元件之间的中间电势差，然后，由同一线圈101向磁阻元件施加-x方向的偏置以测量磁阻元件之间的中间电势差。施加+x方向的偏压时和施加-x方向的偏压时中间电势差之间的差成比例于sinθ，角度θ为地磁场水平分量和x轴之间的夹角。

接下来，由另一偏置线圈102(称作y方向线圈)向构成MR桥路的四个磁阻元件91、92、93和94施加+y方向的偏置以测量磁阻元件之间的中间电势差，然后，由同一线圈102向磁阻元件施加-y方向的偏置以测量磁阻元件之间的中间电势差。施加+y方向的偏压时和施加-y方向的偏压时中间电势差之间的差比例于sin(π/2-θ)，也就是cosθ。

从y方向输出Vy和x方向输出Vx可以测出方位，表示为于地磁场水平分量之间的夹角θ：

θ＝tan^-1(Vx/Vy)。

然而，施加到磁阻元件上的磁场与电阻之间的关系实际上包括如图24所示的磁滞，而不是图20所示的那样。当所施加的磁场强度H增大时，它通过图24中上面一条曲线达到饱和值，而当它从这个值下降时，却是沿下面一条曲线。

因此，在测量方位时，考虑到磁滞，在施加偏置磁场之前施加饱和磁场。

例如，正如在日本专利特许公开No.5-157565中所公开的，当使用由上述磁阻元件和两个正交偏置线圈组成的方位计测量方位时，沿+x方向施加饱和磁场Hk，然后在施力+x方向偏置磁场Hb的同时测量磁阻元件之间的中间电势差。然后，由同一线圈沿-x方向施加饱和磁场-Hk，然后在施加-x方向偏置磁场-Hb的同时测量磁阻元件之间的中间电势差。这样得到的施加+x方向偏置时和施加-x方向时中间电势差之间的差定义为x方向输出Vx。

然后，由另一线圈沿+y方向施加饱和磁场，然后在施加+y方向偏置磁场的同时测量磁阻元件之间的中间电势差。然后，由同一线圈沿-y方向施加饱和磁场，然后在施加-y方向偏置磁场的同时测量磁阻元件之间的中间电势差。这样得到的施加+y方向偏置时和施加-y方向时中间电势差之间的差定义为y方向输出Vy。根据Vx和Vy，按照上面描述过的方法测量方位。

上述组装到MR桥路中的正交的四个磁阻元件可以是通过刻蚀沉积在陶瓷衬底上的Ni基合金膜而形成的锯齿形磁阻元件。这样，磁阻元件可以非常小而且薄。然而，由于沿x方向和y方向缠绕在它们周围的两组偏置线圈处于磁阻元件桥路外部，这样的方位计具有，至少，大约3mm的厚度和大约10mm×10mm量级的面积。

在上述描述中说明的测量方位的程序中，因为要由x方向线圈在+x方向和-x方向施加偏压并由y方向线圈在+y方向和-y方向施加偏压，所以需要进行四次测量，然后才进行计算。

此外，为了消除磁滞效应，在施加偏置磁场之前，施加了与偏置磁场方向相同的饱和磁场。在施加饱和磁场之后，在同一方向施加偏置磁场会使磁阻元件的电阻和磁场关系曲线的斜率下降，从而要测量的输出变低。

发明内容

本发明的一个目的是给出厚度和面积显著减小的方位计或方位传感器。

此外，本发明的另一目的是给出向线圈施加电流的数量和测量的数量小于从前的方位计或方位传感器。

例如，根据本发明的方位计包含：绕成矩形的平面线圈；与平面线圈的平面基本平行的至少两组薄膜磁阻元件，其中所述两组磁阻元件中的每一组构成互相之间电相连的偶数个磁阻元件的MR桥路，并探测和输出地磁场的两个垂直分量，根据输出值得到方位信息(bearing information)，其中方位计还包含：沿预定方向向平面线圈通入电流以向其施加等于或高于所述磁阻元件磁饱和的磁场、沿与预定方向相反的方向施加等于或高于磁阻元件磁饱和的磁场、然后沿与后一方向相反的方向施加偏置磁场的装置；以及在施加所述偏置磁场的同时向那组薄膜磁阻元件通入磁场测量电流的装置。

优选地，这样安排电路，当使用某一电源施加等于或高于磁阻元件磁饱和的磁场时，事先由来自电源的旁路电流充电的电容的放电电压与施加到平面线圈上的电压重叠。

优选地，每个磁阻元件的轴向和平面线圈靠近磁阻元件的一侧之间的夹角β满足这样的关系sinβ×cosβ≠0，并使用磁阻元件对所施加磁场的响应的电学电阻变化最小的区域附近的所施加磁场的特性。

优选地，一组薄膜磁阻元件由两对磁阻元件构成，每对中的磁阻元件与所述矩形线圈相对的两侧相交并互相电相连，另一组薄膜磁阻元件由两对磁阻元件构成，每对中的磁阻元件与所述矩形线圈中与上述对边不同相对的两侧相交并互相电相连，置于同一边上的两个磁阻元件的轴向基本上互相垂直。

优选地，夹角β为下述中任何一种：大约45度，大约135度，大约225度以及大约315度。优选地，每个磁阻元件的轴向与矩形线圈的侧边之间的夹角变化小于±5度。如果需要，在由每组磁阻元件探测并输出地磁场的两个垂直分量，并且根据输出值得到方位信息的情形中，可加入一个电路，输出沿正向施加偏置时得到的输出和沿负向施加偏置时得到的输出之间的差别。

下面的程序可进行两次或更多次，并根据输出值得到方位信息：沿预定方向向平面线圈通入电流以向其施加等于或高于所述磁阻元件磁饱和的磁场，沿相反方向施加恒定偏置磁场，然后测量所得磁场以得到输出值；沿与所述预定方向相反的方向施加等于或高于所述磁阻元件磁饱和的磁场，沿相反方向施加偏置磁场，然后测量所得磁场以得到输出值。

在根据本发明的方位计中，偶数个磁阻元件互相电相连以构成MR桥路。例如，在本发明的“MR桥路”中，磁阻元件A和B置于绕成矩形的平面线圈相对的两侧上并互相串连，垂直于磁阻元件A的磁阻元件C置于与磁阻元件A相同的一侧上，垂直于磁阻元件B的磁阻元件D置于与磁阻元件B相同的一侧上，磁阻元件C和D互相串连。该桥路输出磁阻元件A和B之间的中点处的输出V1与磁阻元件C和D之间的中点处的输出V2之间的电势差。根据本发明，由每组磁阻元件探测地磁场两个互相垂直的分量，并根据其输出得到方位信息。着可以减小所施加电厂对电阻的磁滞效应，消除输出噪声并提高输出绝对值。

因此，在请求保护的技术方案中，包括一种方位计，该方位计包含：平面线圈，绕成相对于两个互相垂直的轴对称的形状；两组薄膜磁阻元件，其所处平面基本与平面线圈所在平面平行，其中所述两组薄膜磁阻元件中的每一组构成由偶数个薄膜磁阻元件彼此电相连而形成的薄膜磁阻元件桥路并探测和输出地磁场的两个垂直分量，根据该两个垂直分量得到方位信息，其中该方位计进一步包含：沿预定方向向平面线圈通入电流以向薄膜磁阻元件施加等于或大于所述薄膜磁阻元件饱和磁化的第一饱和磁场、沿与第一饱和磁场相反的方向施加恒定偏置磁场、沿与第一饱和磁场相反的方向施加等于或大于薄膜磁阻元件饱和磁化的第二饱和磁场，然后沿与第二饱和磁场相反的方向施加偏置磁场的装置；以及在施加所述偏置磁场的同时向这两组薄膜磁阻元件通入磁场测量电流的装置。

在请求保护的技术方案中，包括一种用于测量方位信息的方法，包括：

提供方位计，该方位计包含：

平面线圈，绕成相对于两个互相垂直的轴对称的形状；

两组薄膜磁阻元件，其所处平面基本与平面线圈所在平面平行，其中所述两组薄膜磁阻元件中的每一组构成由偶数个薄膜磁阻元件彼此电相连而形成的薄膜磁阻元件桥路，探测和输出地磁场的两个垂直分量；

沿预定方向向平面线圈通入电流以向薄膜磁阻元件施加等于或大于所述薄膜磁阻元件饱和磁化的第一饱和磁场；

沿与第一饱和磁场相反的方向施加第一恒定偏置磁场；

在施加第一恒定偏置磁场期间测量合成磁场以获得第一输出值；

沿与第一饱和磁场相反的方向施加等于或大于薄膜磁阻元件饱和磁化的第二饱和磁场；

沿与第二饱和磁场相反的方向施加第二恒定偏置磁场；

在施加第二恒定偏置磁场期间测量合成磁场以获得第二输出值；以及

基于第一和第二输出值获得方位信息。。

附图说明

图1为本发明实施例的示意性俯视图；

图2为本发明实施例的分解透视图；

图3为适合于本发明实施例的磁阻元件电路图的实施例；

图4为一曲线图，示出电阻和外部磁场强度之间的关系；

图5为根据本发明磁阻元件的工作方式的说明图；

图6为根据本发明驱动方位计的说明性电路图；

图7为驱动本发明的方位计的时序图；

图8为一曲线图，示出用于本发明的方位计的驱动电路的电压波形和线圈电流波形；

图9为驱动本发明的方位计的时序图；

图10为根据本发明驱动方位计的另一电路图；

图11为驱动本发明的方位计的时序图；

图12为一曲线图，示出本发明的方位计中测量到的线圈电流波形；

图13为一放大曲线图，示出本发明的方位计中测量到的线圈电流波形；

图14为根据本发明驱动方位计的另一电路图；

图15为一曲线图，说明本发明的电路特性；

图16为本发明的模拟输出的电路图；

图17为本发明的模拟输出的另一电路图；

图18为一移动电话的透视图，该移动电话带有安装了本发明的方位计的导航器；

图19为带有导航器的传统移动电话的透视图；

图20为一典型曲线图，说明电学电阻与所施加磁场强度之间的关系；

图21用于典型方位计中的MR桥路的说明性电路图；

图22为用于传统方位计中的MR桥路的示意性剖视图；

图23为传统方位计的透视图；以及

图24为一曲线图，示出包括在电学电阻和所施加磁场强度之间的关系中的磁滞。

具体实施方式

图1示出本发明实施例的方位计的俯视图。在图1中，参考号1表示缠绕了数十圈的方形平面线圈。在平面线圈的同一侧——本图中平面线圈下方——在平行于平面线圈的平面中有四对磁阻元件对2、3、4和5。磁阻元件对2、3、4和5各由两个磁阻元件21和22、31和32、41和42，以及51和52构成。

磁阻元件对2中的一个磁阻元件21的轴向只与平面线圈1的一边11相交一个大约为45度的角度。磁阻元件对2中的另一个磁阻元件22的轴向只与平面线圈1中与上述相对的一边——即边12——相交一个大约为45度的角度。磁阻元件21的轴向与磁阻元件22的轴向基本垂直，这些磁阻元件21和22中的每一个都在其一端处与另一个相连(在该实施例中即平面线圈1的内侧上的一端)。类似地，对于其它磁阻元件对3、4和5，磁阻元件31、41和51的轴向分别只与平面线圈1的边12、13和14相交，而磁阻元件32、42和52的轴向分别只与平面线圈相对的另一边11、14和13相交，夹角都是大约45度。另外，磁阻元件31、41和51的轴向与它们各自相应的磁阻元件32、42和52的轴向垂直。并且，磁阻元件31和32中的每一个都在其一端处与另一个相连(在该实施例中即平面线圈1的内侧上的一端)，磁阻元件41和42中的每一个都在其一端处与另一个相连(在该实施例中即平面线圈1的内侧上的一端)，磁阻元件51和52中的每一个都在其一端处与另一个相连(在该实施例中即平面线圈1的内侧上的一端)。此外，都与平面线圈1的边11相交的两个磁阻元件21和32的轴向互相垂直。类似地，都与边12相交的两个磁阻元件22和31的轴向、都与边13相交的两个磁阻元件41和52的轴向以及都与边14相交的两个磁阻元件42和51的轴向都互相垂直。

在该方位计中，在衬底上给出磁阻元件，然后再绕上平面线圈。衬底厚0.7mm。衬底上包括磁阻元件和平面线圈的薄膜部分为40至50微米厚。衬底尺寸为3mm×4mm。

为了更好地理解图1所示的方位计的实施例，图2为其示意性分解透视图，图3为其电路图，图6为根据本发明驱动方位计的说明性电路图。如图2所示，当向平面线圈1通入直流电时，在平行于平面线圈的平面中，沿线圈的从里向外的方向产生DC磁场，反之亦然，从而对磁阻元件对施加了DC磁场。参见图3，当电流Ib沿顺时针方向流过平面线圈1时，对磁阻元件21和32施加了x方向的磁场，对磁阻元件22和31施加了-x方向的磁场，对磁阻元件41和52施加了y方向的磁场，对磁阻元件42和51施加了-y方向的磁场。如果电流-Ib沿相反方向流过平面线圈1，则对每个磁阻元件施加相反方向的磁场。也就是说，四个磁阻元件21、22、31和32构成一个MR桥路，而四个磁阻元件41、42、51和52构成另一个MR桥路。

如果，当电流沿轴向流过磁阻元件，并且当沿磁阻元件所在平面中垂直于轴向的方向施加磁场时，磁阻元件的电阻随磁场强度而减小，如图20所示，产生取决于所施加磁场的方向的磁滞，如图24所示。

如果磁阻元件像本发明中那样与平面线圈的侧边相交一个角度45度，则外部磁场沿相对于垂直于轴向的方向成45度角的方向施加。此时，磁阻元件在轴向上具有形状磁各向异性，从而这一情况可认为等效于向其施加磁形状各向异性的磁场和外部磁场的合矢量的情况。因此，在向磁阻薄板施加外部磁场时，外部磁场与电阻之间的关系由图4所示的曲线来表示。图4示出当沿正向施加强磁场的同时逐渐降低所施加磁场的强度的情形中电阻的变化(a)，以及反向变化(b)。由于所施加磁场为负时电阻具有最小值，当施加了正向强磁场并且减小之后施加预定强度的负向磁场时，电阻相对于所施加磁场的变化的变化率变得最大。在沿负向施加强磁场的同时逐渐增大所施加磁场的情形中，电阻相对于所施加磁场的变化的变化率在施加预定强度的正向磁场时变得最大。

因此，在本发明中，当使用图1至3所示的实施例的方位计测量方位时，沿图3中的顺时针方向向平面线圈1通入直流电，沿垂直于轴向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每个磁阻元件21至52的磁场饱和的DC磁场，沿相反方向(图3中逆时针方向)向平面线圈1通入预定强度的直流电，沿垂直于轴向的方向向磁阻元件施加偏置DC磁场，在施加偏置磁场器件，在磁阻元件对中磁阻元件的另一端之间施加用于测量方位的电压Vcc以从磁阻元件对的相连端获得中间电势。当沿图3中顺时针方向通入直流电以沿垂直于轴向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每个磁阻元件21至52的磁场饱和的DC磁场时，所有磁阻元件进入图4右端所示的状态。直流电减弱或切断，则施加沿与该直流电相对的方向——特殊地，在图3中为逆时针方向——的预定强度的直流电所产生的DC磁场，也就是说，电阻对于所施加磁场的变化的变化率接近其最大值处的磁场，从磁阻元件的相连端获得中间电势。现在，假设地磁场的水平分量的大小由He表示，地磁场水平分量He与x轴之间的夹角由θ表示。那么磁阻元件21和22的中间电势输出可表示为：

V_CC·(1/2-1/(2·Rb)·βHecosθ)，

其中符号β表示电阻对于磁场的变化率，而符号Rb表示只施加了偏置磁场Hb时磁阻元件的电阻。

在该实施例中，由于磁阻元件对2和3相连端的中间电势输出之间的差在图3中以Vx得出，则中间电势输出之差Vx表示为：Vx(+)＝V_CC·((1/2-1/(2·Rb)·βHecosθ)-(1/2+1/(2·Rb)·βHecosθ))＝-V_CC·1/Rb·βHecosθ。

类似地，由于磁阻元件对4和5相连端的中间电势输出之间的差在图3中以Vy得出，则中间电势输出之差Vy表示为：Vy(+)＝V_CC·((1/2-1/(2·Rb)·βHesinθ)-(1/2+1/(2·Rb)·βHesinθ))＝-V_CC·1/Rb·βHesinθ。

接下来，沿与上面的描述相反的方向(图3中的逆时针方向)向平面线圈1通入直流电，沿垂至于轴向的方向向磁阻元件21至52施加足以使每个磁阻元件21至52的磁场饱和的DC磁场，并且沿与前述直流电相反的方向(图3中的顺时针方向)向平面线圈1通入预定强度的直流电，沿垂至于轴向的方向向磁阻元件施加偏置DC磁场，并且在施加偏置DC磁场的过程中，在磁阻元件对中磁阻元件的另一端之间按与上述相同的方式施加用于测量方位的电压Vcc以从相连端获得中间电势。如果所施加的磁场大小的绝对值与上面的描述基本相同，那么电阻对于所施加磁场的变化率变得最大。

磁阻元件对2和3相连部分的中间电势输出之间的差在图3中以Vx得出，中间电势输出之差Vx表示为：

Vx(-)＝V_CC·1/Rb·βHecosθ。

并且，磁阻元件对4和5相连端的中间电势输出之间的差在图3中以Vy得出，中间电势输出之差Vy表示为：

Vy(-)＝V_CC·1/Rb·βHesinθ。

x方向和y方向的中间电势输出差之间的差如下获得：

x方向中V＝Vx(+)-Vx(-)＝-2V_CC·1/Rb·βHecosθ；

y方向中V＝Vy(+)-Vy(-)＝-2V_CC·1/Rb·βHesinθ。

因此，地磁场水平分量与x轴之间的夹角θ可表示为：

θ＝tan^-1(y方向中的V/x方向中的V)。

从上面的描述可以看出，当沿某一方向通入直流电时，可同时分别得到沿x方向和y方向向磁阻元件对2、3以及磁阻元件对4、5施加偏置磁场时中间电势输出之差，并且当沿相反方向通入直流电时，可同时分别得到沿-x方向和-y方向向磁阻元件对2、3以及磁阻元件对4、5施加偏置磁场时中间电势输出之差。

虽然在实施例的描述中，磁阻薄板与平板线圈相应边的交角假设为π/4，也就是，45度，但是，交角在0度到60度范围内都可以测量方位。然而，当这一角度太小时，电阻随磁场变化的区域在图4的最小值附近减小了，从而很难建立合适的偏置磁场。因此，最可控制的角度是45度。

此外，虽然在上述实施例中描述了这样的情形：两个与平面线圈1的一边相交的磁阻元件的轴向互相垂直，并且一个磁阻元件对的两个磁阻元件的轴向互相垂直；但是实际上，只要它们之间不平行就可以了。然而，其最易控制的角度是直角。优选地，一个元件对中相交各边的磁阻元件成镜像关系。镜像关系时输出的变化更小并且近似正弦波。因此，在磁阻元件对中，磁阻元件与相应边相交的角度之间的差别应该落在+/-5度的范围内。更优选地，对于方位计中的所有磁阻元件，磁阻元件与相应边相交的角度的变化应落在+/-5度的范围内。

至于平面线圈，当制造了外径2至3mm、匝数50至100匝的平面线圈时，得到了足够的输出。线圈的尺寸优选地尽可能小以使功率消耗降到最低。

用低电源电压产生所需磁场的最有效方式是降低线圈电阻。线圈电阻取决于厚度、宽度和长度，长度主要取决于线圈的尺寸。尽管宽度和厚度优选地尽可能大，但是厚度由导线之间的空间决定。在导线之间的空间限制许可的范围内，厚度大更好。然而，在制造方面，不希望电镀厚度太大。所以，适当的厚度是2至5微米。因此，适当的宽度是8至20微米。

平面线圈和磁阻元件之间的距离优选地尽可能小，因为在本发明中使用极靠近平面线圈的磁场。考虑到其间的绝缘膜的绝缘特性，这一距离在磁阻元件和布线膜厚度的1.5倍左右是合适的。适当的距离是0.5至2微米。

在上述实施例中，方位计为两层式，其中磁阻元件置于衬底上，而线圈置于其上。磁阻元件和线圈的数量可以增加。例如，如果使用磁阻元件、线圈、磁阻元件顺序置于衬底上的三层式，那么输出就可以翻倍。作为选择，也可使用线圈、磁阻元件和线圈顺序置于衬底上的三层式。另外，磁阻元件可放置于许多平行于平面线圈所在平面的平面中。

作为线圈结构，可使用平行四边形、矩形或十字形平面线圈。尽管通过使用上述方形平面线圈说明了本发明，但是也可使用其它形状的平面线圈。

下面，将更详细地描述磁阻元件和用于磁阻元件的驱动电路的工作方式。

如上所述，图4为一曲线图，示出电流方向与所施加磁场方向成45度角时磁阻元件的电阻和所施加的磁场。在本发明中，采用了这一附图所示的特性。

图5为根据本发明磁阻元件工作方式的说明性视图。在参考号61和62所表示的工作点处，曲线关于所施加磁场的斜率——即灵敏度——大于图20所示曲线的斜率。因此，以相对于元件轴向(元件中电流的方向)成45度角施加磁场可提供高灵敏度。在参考号所表示的点处的工作如下。

A)参考号60表示沿负向施加等于或大于饱和磁化Hk的磁场的一点。在这一点处，磁阻元件的磁畴对准某一方向。

B)参考号61表示沿正向施加偏置的一点。在没有外部磁场时，电阻为参考号67指示的值，而当存在外部磁场65时，电阻为参考号68所指示的值。

C)参考号62表示沿正向施加等于或大于饱和磁化Hk的磁场的一点。磁阻元件的磁畴对准与点60相反的方向。

D)参考号63表示沿负向施加偏置的一点。在存在外部磁场64(与外部磁场65在方向和强度上都一致)时，电阻为参考号66所指示的值。

对于没有外部磁场时获得的电阻值67，电阻在值66和68之间变化。这一差别由电阻值69表示。在这一方式中，连接在MR桥路结构中的四个电阻中的两个工作。剩下的两个置于与外部磁场相反的方向，可提供与电阻值69符号相反、大小相等的信号。

图6示出本发明中所使用的驱动电路的实施例。菱形表示由四个磁阻元件构成的MR桥路201和202。其输出由CMOS运算放大器203和204放大100倍。假定沿从多路复用器Y端到多路复用器X端的方向流过平面线圈1的电流为正电流，图6与图7所示的时序图相联。

A)在图6中，左框中的电容205由总电压——电压Vdd(正)大小的绝对值与电压Vee(负)大小的绝对值之和——通过电阻(Isrset)充电。端口A和B保持在低电平。如果端口INH变为低电平，那么多路复用器X端和多路复用器Y端分别与终端X0和Y0相连，一个脉冲电流沿从X端到Y端的方向通过线圈1。

B)如果端口B变为高电平，那么多路复用器X端和多路复用其Y端分别与终端X2和Y2相连，电流沿从Y端到X端的方向通过线圈1。此时，引出两个MR桥路201和202的输出。端INH变为高电平以关断偏置电流。在此过程中，电容C205充电。

C)端口A变为高电平。那么，如果端口INH变为低电平，那么脉冲电流沿从X3端到Y3端的方向通过线圈1。

D)如果端口B变为低电平，那么终端X1和Y1相连，从而电流沿负方向。再次引出两个MR桥路的输出。然后，端INH变为高电平以关断线圈电流。

两个测量中所得值之差可测得每个方向的磁场。图8示出用于真实电路的电压波形和线圈电流波形。如果省略中间操作就可实现相同的操作。这种情形中的时序图示于图9中。

因为高的线圈电阻，在图6所示的电路中，电源电压不足以提供足够的重置电流，这样，需要另一个相反极性的电源。图10示出进行了改善以解决这一问题的电路。虽然图10中所示的MR桥路以下的布置与图6中所示的相同，但是驱动线圈的方式却与图6所示的不同。图11示出用于说明其工作的时序图。

图6所示的电路需要两个电源Vdd和Vee。图10所示的电路在这一点上有所改善。为了合并电源，电路的特征在于通过利用下面的简单电路布置得到了高电压：在原有电压上叠加电容中所充的电压。微计算机需要具有两个端口(A、B)。虽然端口A通常保持在高电平，但是它在使用传感器时变为低电平。线圈通过四个NOR门(一个IC)驱动，X端输出用作用于桥路201、202和运算放大器203、204的电源的ON/OFF输出。连接和工作的方式与图6中所示的电路相同。端口B的输入保持在低电平。然后，端口A也变为低电平，从而向放大器和桥路提供电力。Y端侧变为低电平而Z端侧变为高电平。电流从Z端流经电阻Rs2、线圈1和电阻Rs1到达Y端。这样，向电阻Rs1、Rs2和线圈1施加了电压。利用这一电压，在数十个微秒内，电容C1在电阻Rs1一侧的极板充电并带上负电，而电容C2在电阻Rs2一侧的极板充电并带上正电。由于电容在Y和Z输出之间连成十字形(桥路)，电容电压大小的绝对值之和等于或稍高于电源电压。

端口B的输入变为高电平。然后，Y端输出和Z端输出都反转。也就是，Y端变为高电平，而Z端变为低电平。这样，与Y端相连的电容C2在电阻Rs2一侧的极板被另外施加了原先充电的电压，这样，电容C2具有大约1.5倍于其中充电的电源电压的电压。另一方面，于Z端相连的电容C1具有大约0.5倍于其中出现的电源电压的负电压。线圈1被施加了这些电压的电压差，即两倍于电源电压的电压。结果，线圈1能够产生足以提供磁阻元件饱和磁化的磁场。这一状态相应于图5中的点60。电容在大约2μs内完全放电，然后，电流沿从Y端到Z端的方向流经线圈。电流的值与图5中的工作点61相关，由电阻Rs1、Rs2和线圈1的电阻以及电源电压决定。此时，电容C1和C2按与上述相反的方向充电。在此过程中，放大并测量了两个MR桥路的输出电压。一旦完成了测量，端口B待输入变为低电平。然后，Y端变为低电平，Z端变为高电平。已经反向充电的电容中的电荷产生反向脉冲电流。这一状态相应于图5中的工作点62。一旦放电完成，取决于电阻Rs1、Rs2和线圈1的电流沿从Z端到Y端的方向流经线圈。然后，到达工作点63。此时，重新测量两个MR桥路201、202的输出。一旦完成了测量，端口A变为高电平。然后，图10中所示的电路停止工作。之后，确定用于两个方向的磁场的两个输出之差，从而给出磁场的测量值。然后，进行计算以给出方位指示。

图12示出实际线圈电流的测量。显著的正、负脉冲相应于图5中的工作点62和60。平坦的正、负部分相应于工作点61、63。这里，对于每个方向四次整个地测量放大的模拟电压。图13为示出线圈电流初始部分的放大图。显著的负脉冲相应于图5中的点60。线圈电阻为200Ω，电源电压为3V，流经线圈的电流为23mA。施加给线圈的电压为4.6V，高于电源电压。脉冲宽度可由电容C1和C2来改变。虽然更大的脉宽更为有效，但是更大的脉宽需要更长的时间来使IC输出放电并且消耗更大的电流。实验上，在电容C1和C2为22000pF且电容放电时间为大约2μs时给出适当的结果。

下面将描述进一步的改善。有时，IC输出的反转需要很长时间。在这样的情形中，电容中的电荷不仅流过电流要通过的线圈，还流过电阻Rs1和Rs2。这是因为电阻中的电流比例于电压而增大，从而，可以用双向恒流元件来代替电阻Rs1和Rs2，这种双向恒流元件即使在所加电压增大的情况下电流也不会增加。特定地，电路如图14中所示的那样安排，图15示出其特性。所用的结型场效应晶体管为2SK170，电阻为33Ω。表现出大约4mA的恒流特性。结果，流经IC的电流的峰值为32mA，而在使用电阻Rs1和Rs2时大约为48mA。

在根据所得的X方向和Y方向的地磁场的磁场强度计算方位时，需要反正切结算。反正切的主值为从-90度到+90度。因此，在切换的这一点上，X方向的值很小，从而容易出错。这样，优选地通过在X方向分量和Y方向分量具有大的绝对值的+/-45度和+/-135度分解函数来进行计算。

图16和17示出需要模拟输出的情形中的示例性电路。这些电路与上面由DFF(D型触发器)输出通过由电容C3、C4和电阻R4、R5构成的桥路驱动的线圈1情形中描述的电路相同，使用了图5中的工作点60、61、62和63。然而，在此情形中，在AD转换之后，不能进行数字相减，从而，以模拟的方式进行相减。也就是说，DFF输出不仅与线圈1相连以驱动之，还与MR桥路201、202相连，反转电压施加给MR桥路201、202从而当MR桥路201、202在工作点61提供正输出时，在工作点63提供负输出。在此情形中，如果没有信号，那么MR桥路不会给出输出。然而，通常，由于其电阻之间的微小差别，MR桥路产生偏移电压。结果，如果施加给MR桥路的正、负电压之比精确地设置为1∶1，那么输出电压的参考点(其平均值)构成电源电压的中点，可实现精确测量。在有外部磁场时，如果沿正向对MR桥路施加电压并且偏置电压也是正的，这一状态相应于工作点61，从而，产生与电阻大小68关联的电压。如果DFF反转了，那么偏置磁场也反转，结果就是工作点63的状态。然而，由于桥路电压也反转了，所以通过反转出现了与电阻大小66关联的电压。即，在该图中，出现正的外部磁场时，MR桥路输出恒定地提供与施加给MR桥路的电压极性无关的负电压，其平均值(积分值)也是负的。这样，可给出与外部磁场连续关联的模拟电压。

根据本发明的方位计如果安装在移动器件——例如移动电话或PDA——上，则可为它们提供显著改善的导航功能。在移动电话领域，用于显示城镇地图的应用软件——例如美食向导和旅馆向导——已经进入了实际应用。过去，在这样的应用软件中，地图按实际方位来显示，显示屏是固定的。例如，显示屏的上边指示北方。这样，如果移动电话显示屏的上方没有真实地指向北方，那么使用者就必需旋转显示屏以将其上方定于北方，这对于使用者来说是一个累赘的过程。如果使用了根据本发明的方位计，则可以为移动器件——例如移动电话—提供导航功能，能通过将显示在屏幕上的地图的方位与实际地理方位对准来显示地图，而不用考虑移动器件显示屏的指向。为了解决仰角带来的输出偏差，可附加用于探测仰角的元件和校正计算电路。作为选择，为了解决同一问题，方位计可以是三维的。图18为加入根据本发明的方位计具有导航功能的移动电话的透视图。参考号300表示具有导航功能的移动电话的主体单元，而参考号310表示液晶显示(LCD)单元。

为了比较，在图19中示出一个传统例子。与图18相同的部分标以相同的参考号。使用者的位置以十字标记320指示。图18中所示的具有根据本发明的导航功能的移动电话能通过将真实方位400与地图方位350对准来显示地图。这是通过使用内置的根据本发明的方位计得到的信息来实现的。在图19所示的传统例子中，在移动电话中没有能够内置方位元件，从而，指示北方的地图方位350固定在显示屏315上不能与真实方位400对准。

工业适用性

如上所详述的，根据本发明，由于使用平面线圈为磁阻元件提供饱和磁场和偏置磁场，线圈可以由薄膜制成，因此，方位计的厚度和可以减小。

利用本发明的方位计，可通过同时在x和y方向施加偏置电场来测量方位，从而与传统技术相比，方位测量的次数可以减半。

另外，利用根据本发明的定位过程，由于是以这样的方式——所施加饱和磁场和偏置磁场的方向相反——施加预定强度的偏置磁场，所以可增大输出。

Claims (8)

1.一种方位计，包含：平面线圈，绕成相对于两个互相垂直的轴对称的形状；两组薄膜磁阻元件，其所处平面基本与平面线圈所在平面平行，其中所述两组薄膜磁阻元件中的每一组构成由偶数个薄膜磁阻元件彼此电相连而形成的薄膜磁阻元件桥路并探测和输出地磁场的两个垂直分量，根据该两个垂直分量得到方位信息，其中该方位计进一步包含：沿预定方向向平面线圈通入电流以向薄膜磁阻元件施加等于或大于所述薄膜磁阻元件饱和磁化的第一饱和磁场、沿与第一饱和磁场相反的方向施加恒定偏置磁场、沿与第一饱和磁场相反的方向施加等于或大于薄膜磁阻元件饱和磁化的第二饱和磁场，然后沿与第二饱和磁场相反的方向施加偏置磁场的装置；以及在施加所述偏置磁场的同时向这两组薄膜磁阻元件通入磁场测量电流的装置。

2.根据权利要求1的方位计，其中电路的安排使得在使用电源电压施加等于或大于薄膜磁阻元件饱和磁化的第一和第二饱和磁场时，预先通过来自电源的分流电流充电的电容的放电电压被施加到平面线圈。

3.根据权利要求1的方位计，其中平面线圈为矩形，每个薄膜磁阻元件的轴向和平面线圈的一边相交的角β满足sinβ×cosβ≠0的关系，相对于所施加的磁场薄膜磁阻元件的电阻变化最小的区域附近的所施加磁场的特性被利用。

4.根据权利要求3的方位计，其中这两组薄膜磁阻元件中的一组由两对薄膜磁阻元件构成，每一对中的薄膜磁阻元件与所述平面线圈相对的两边相交并互相电相连，这两组薄膜磁阻元件中的另外一组由两对薄膜磁阻元件构成，每一对中的薄膜磁阻元件与所述平面线圈中与上述两边不同的相对的两边相交并互相电相连，同一边上的两个薄膜磁阻元件的轴向基本上互相垂直。

5.根据权利要求3的方位计，其中角度β是下述任何一种：大约45度、大约135度、大约225度和大约315度。

6.根据权利要求2的方位计，其中每个薄膜磁阻元件的轴向与平面线圈的边相交的角的变化在±5度范围内。

7.根据权利要求1的方位计，其中由这两组薄膜磁阻元件中的每一组探测并输出地磁场的两个垂直分量，根据该两个垂直分量得到方位信息，其中，另外提供一个电路，用于输出正向施加偏置时得到的输出和负向施加偏置时得到的输出之差。

8.一种用于测量方位信息的方法，包括：

提供方位计，该方位计包含：

平面线圈，绕成相对于两个互相垂直的轴对称的形状；

两组薄膜磁阻元件，其所处平面基本与平面线圈所在平面平行，其中所述两组薄膜磁阻元件中的每一组构成由偶数个薄膜磁阻元件彼此电相连而形成的薄膜磁阻元件桥路，探测和输出地磁场的两个垂直分量；

沿预定方向向平面线圈通入电流以向薄膜磁阻元件施加等于或大于所述薄膜磁阻元件饱和磁化的第一饱和磁场；

沿与第一饱和磁场相反的方向施加第一恒定偏置磁场；

在施加第一恒定偏置磁场期间测量合成磁场以获得第一输出值；

沿与第一饱和磁场相反的方向施加等于或大于薄膜磁阻元件饱和磁化的第二饱和磁场；

沿与第二饱和磁场相反的方向施加第二恒定偏置磁场；

在施加第二恒定偏置磁场期间测量合成磁场以获得第二输出值；以及

基于第一和第二输出值获得方位信息。

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