WO2014190909A1

WO2014190909A1 - 一种三轴数字指南针

Info

Publication number: WO2014190909A1
Application number: PCT/CN2014/078685
Authority: WO
Inventors: 迪克⋅詹姆斯·G; 周志敏; 李丹
Original assignee: 江苏多维科技有限公司
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-12-04
Also published as: JP2016521845A; EP3006896B1; CN103267520B; JP6525336B2; EP3006896A4; CN103267520A; US9797721B2; EP3006896A1; US20160116283A1

Abstract

一种三轴数字指南针，该指南针包括两个X轴磁敏传感器（1，2）、两个Y轴磁敏传感器（3，4）、通量集中器（5）、信号采样单元（17）、信号处理单元（18）以及信号输出单元（19）。其中，X轴和Y轴磁敏传感器（1，2，3，4）沿着通量集中器（5）周边排列。外磁场经通量集中器（5）产生扭曲，其在Z轴的分量经通量集中器（5）转变为X轴、Y轴磁场分量，并和外磁场在X轴和Y轴的分量共同作用于X轴和Y轴磁敏传感器（1，2，3，4）。X轴、Y轴磁敏传感器（1，2，3，4）的输出信号通过信号采样单元（17）输出到信号处理单元（18），经计算后得到三个外磁场分量，并经信号输出单元（19）以数字格式输出。该三轴数字指南针具有结构新颖、算法简单的特点，适用于AMR、CMR、TMR等磁阻传感器。

Description

一种三轴数字指南针

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种三轴数字指南针。

背景技术

在消费电子领域，倒如智能手机、平板电脑等便携式电子设备中，需要用到 Ξ:轴指南针，和惯性器件如轴陀螺仪、：三轴加速度计等一起使用，形成完备的九轴电子惯性导航设备。三轴指南针可以同时表征三维地磁场分 ¾ 对于磁敏传感器如 AMR GMR 和 TMR等磁阻传感器， ώ于磁场敏感方向在薄膜平面内，可以通过将两个传感器正交来实现平面內磁场 X， Υ分量的测量，丛而实现 ΧΥ 二轴磁场测试系统，但对于 Ζ 磁场分鼂其中一种解决方案是将一个分立单轴平面磁敏传感器 ¾立安装在二轴平面传感器上。但这种方式存在以下不足之处：

!) Χ、 Υ 二轴磁敏传感器和 Ζ单轴磁敏传感器在安装之前为各自为分立元件，无法实现三轴磁敏传感器的集成制造，从而增加了制造工艺的复杂程度；

2)相对于集成制造系统，采用组装方法制造的三轴磁敏传感器系统内各元件的位置精度降低，影响传感器的测量精度。

3)由于 Ζ单轴磁敏传感器敏感轴垂直于 X, Υ 二轴磁敏传感器，因此:三轴磁敏传感器 Ζ向尺寸增加，从而增加了器件尺寸和封装难度。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种三轴数字指南针，该指南针上的元件可在一个芯片上制备，其利用通量集中器对磁场的扭曲作用，将垂直于平面的 ζ轴磁场分量转变成 χγ平面內磁场分量，从而可以被平面 ή χ、 Υ二轴磁敏传感器检测到，其结果为 χ、 γ二轴磁敏传感器可以同时检测到 χ、 Υ、 ζ磁场分量，然后通过采用一定的算法将 X、 Υ、 Ζ轴磁场分量混合信号中分离出来，并将其转变成数字信号输出。本发明提供了一种轴数字指南针，它包括

通量集中器，其用于对外磁场产生扭曲以使在 ζ轴的分量转变为 X轴和 Υ轴的磁场分量；

两个 X轴磁敏传感器，所述 X轴磁敏传感器分别位于所述通量集中器沿 X轴方向的两侧边缘，每个 X轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于 X轴；

两个 Υ轴磁敏传感器，所述 Υ轴磁敏传感器分别位于所述通量集中器沿 Υ轴方向的两侧边缘，每个 Υ轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于 Υ轴；

信号采样单元，其与各个磁敏传感器的输出端相电连，用于对各个磁敏传感器输出的信号进行采样；

信号处理单元，其与信号采样单元的输出端相电连，所述信号处理单元对采样信号进行计算，计算出 X轴、 γ轴和 ζ轴的磁场分量的数字信号；信号输出单元，其将所述信号处理单元 if算分离出来的数字信号输出。优选地，所述各 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器沉积在基片表面并感应基片表面内的磁场分量。

优选地，所述各 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器为 AMR、 GMR或 T!VIR磁阻传感器之中的一种。

优选地，所述各 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器为自旋阀，并且所述 X轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向与 Y轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向相互正交。

优选地，所述 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器各自至少包括一个感应元件和一个参考元件，所述参考元件位于所述通量集中器的下方，所述感应元件沿所述通量集中器的边缘排列。

优选地，所述 X轴磁场分量对应两个 X轴磁敏传感器输出信号之和、所述 Y轴磁场分量对应两个 Y轴磁敏传感器输出信号之和。

优选地，所述 z轴磁场分量对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

优选地，所述通量集中器的组成材料为高导磁率软磁金属材料 NiFe、

CoFeSiB,CoZrNb、 CoFeB、 FeSiB 或 FeSiBNbCu 中的一种。

优选地，所述通量集中器的厚度为 l-20um。

优选地，所述基片采用 CMOS, 将所述 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器印制在所述基片上面。

进一步地，所述 X轴的磁场分量对应两个 X轴磁敏传感器输出信号之和、所述 Y轴的磁场分量对应两个 Y轴磁敏传感器输出信号之和、所述 Z轴的磁场分量对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

进一歩地，所述 z轴的磁场分量对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

本发明具有尺寸小、制造工艺简单、容易封装、结构新颖、算法简单、测量精度高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些^图获得其他的附图。

图 1本发明中三轴数字指南针的顶视图。

图 2通量集中器对 Z轴磁场分量的扭曲作甩图。

图 3通量集中器对 X轴或者 Y轴磁场分量的扭曲作用图。

图 4：三轴数字指南针对 X轴方向磁场的测量原理图。

图 5三轴数字指南针对 Y轴方向磁场的测量原理图。

图 6三轴数字指南针对 Z轴方向磁场的测量原理图。

图 7本发明中一种具体实施方案的结构图。

图 8本发明中 X轴、 Y轴磁敏传感器的参考桥式电路图。

图 9本发明中:三轴数字指南针系统的截面图。

图 10本发明中:三轴数字指南针系统信号处理的原理图。

具体实施方式

下面将参考 ΙΪ图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图 1为本发明中:三轴数字指南针基本结构的顶视图。从图 1 中可以看出，该轴数字指南针包括两个 X轴磁敏传感器 1和 2, 两个 Y轴磁敏传感器 3和 4, 以及通量集中器 5。 X轴磁敏传感器 1和 2、 Y轴磁敏传感器 3和 4各自均至少包括一个感应元件和一个参考元件，它们沉积在基 i†表面，并排列在通量集中器 5的周边，并且 X轴磁敏传感器 1和 2相对排列， Y轴磁敏传感器 3和 4相对排列。传感器中的参考元件位于通量集中器 5的下方，感应元件沿通量集中器 5的边缘排列。 X轴磁敏传感器 1和 2只对 X轴磁场分量敏感， Y轴磁敏传感器 3和 4只对 Y轴磁场分量敏感。两个 X轴磁敏传感器 1和 2和两个 Y轴磁敏传感器 3和 4为 AMR , G R或 TMR磁阻传感器之中的一种，它们也可以为自旋阔，并 ϋ X轴磁敏传感器 1和 2中元件的钉扎层的磁化方向与 Υ轴磁敏传感器 3和 4中元件的钉扎层的磁化方向相互正交。通量集中器 5的组成材料为高磁导率软铁磁金属材料，优选地为 NiFe、 CoFeSiB, CoZrNb, CoFeB, FeSiB或 FeSiBNbCu中的一种。优选地，通量集中器 5的厚度为 !- 20um„ 基片表面与 XY平面平行， Z轴垂直于基 /†表面指 ^外。

实施例二

图 2显示了 Z轴磁场分量在通量集中器 5周围分布的剖面图。由磁力线 6的分布可以看出， Z轴磁场分量在通量集中器 5附近产生扭曲，从而产生了 XY平面内磁场分量，对于排列在通量集中器 5周边的 X轴、 Y轴磁敏传感器中的感应元件 7和 8来说， ―可以分别对 X轴、 Y轴方向的磁场分量进行响应,产生输出信号，而对于位于通量集中器 5正下方的参考元件 9和 10来说，则由于磁场没有 X、 Y轴分量，近乎为垂直方向，因此，将不会产生输出信号响应。

实施例三

图 3显示了在 XY平面内， X轴或 Y轴磁场分量在通量集中器 5周圈分布的剖面图。由磁力线 1 1 的分布可以看出， XY平面磁场分量依旧在通量集中器 5附近产生扭曲，产生 Z轴分量，对干位于通量集中器 5下方的参考元件 9和 10来说，磁场垂直进入通量集中器 ₅内部，几乎完全为 Z轴分量，因此不会产生输出信号响应，而对于位于通量集中器 5边缘的感应元件 7和 8来说，由于存在有 X轴、 Y轴磁场分量，因此将对 X轴、 Y轴磁场产生响应。并且两个 X轴磁敏传感器将只对 X轴磁场分量产生响应，对 Y轴磁场分量不会产生响应，而两个 Y轴磁敏传感器将只对 Y轴磁场分量产生响应，不对 X轴磁场分量产生响应。

假定在线性范围内，传感器对外磁场具有如下响应关系：

其中 i=1或 2, μx或y。 Sij为传感器灵敏度，其范 |如下：

Sij:0<Sij<100mV/V/G ；

Bij为每个传感器所在位置处的磁场。

外磁场在 X轴、 Y轴、 Z轴≡个方向的分量 Bx， By, Bz经过通量集中器 5后产生扭曲，其在 X1、 X2、 Y1和 Υ2轴磁敏传感器 1 -4所在位置附近的磁场 B_ix、 B_2x、 B _y 和 B_2y可以表示为：

+ γ ₇^

¾x = aB_x

+ r¾、、.

- 则传感器的输出电压为磁场分量 Bx， By, Bz的线性结合:

= S_lx (aB_x + γΒ_ζ) + ¥o_lx^

其中， α , γ为外磁场经通量集中器 5后磁场的增益系数，它们为其长度 ( 宽度 (W) 和厚度 W的函数。

a = (L_f W_} t

γ = y(£, W, t),

其中，

α: 0<|α|<100

γ: 0<|γ|<100

对上述传感器输出的线性方程进行求解，可以通过传感器的四个输出信号 v_1x, v_2x,

V_1y, V_2y来得到唯一的一组值 Bx， By, Bz:

十 S_2x)

{ ly + ¾yJ― ( + ^V^y)

_D. (¾ - D + (¾_y - V_ly) + {Vo_lx - Vo_2x) + {Vo_ly - Vo_2y)

¾ = ~ 、、；为简化起见，可以定义如下校准常数：

^Sx = ^a(^Slx +" x)、、：

= Vo_lv + ¾_2v^

V_Qz = ( o_2js;― i-¾_lx) + ( og,,― i¾._v) -'

¾ ^:= y(¾ + 十十 ¾y)

因此，通过算以下三个简化的方程、使 ffl 3个灵敏度和 3个偏移系数进行校准，便可以得到 Bx， By, Bz三个磁场分量。所以，校准具有与现有技术中三轴指南针的设计相当的复杂

实施例四：

图 4、 5和 6分别显不了外磁场在 X、 Y、 Ζ _ 轴的磁场分量分布图。对于只有 X轴磁场分量 13、 Bz:=0的情况， X轴、 Y轴磁敏传感器的输出分别为： 2x = χ( ') + ^V°2x" l⁷ _iy = ¥o_l,^

上面的四个式子，可以看出 V_1x、 V_2x与外磁场有关， V_1v、 V_2v与外磁场无关，且

对于图 5所示仅有 By磁场分量 12、 Bx 0、 Bz 0的情况， X轴、 Y轴磁敏传感器的输出分别为：

= Vo_lx,

则从上面的四个式子，可以看出 V_1x、 V_2x与外磁场无关， V-_!y, v_2y与外磁 j = {^¥ly + ^V2y) _

对于图 6所示仅有 Bz磁场分量 14、 Bx 0、 By-0的情况， X轴、 Y轴磁敏传感器的输出分别为：

2_y = S_2y(-yB_z) + Vo_2y-' 由此可见 V_1x、 V_2x、 V_1y, V_2y均与外磁场有关，且

„ _ 0¾:r- 1½)+(¾「¾.')― jy

实施例五

图 7为轴数字指南针的一种具体实施方案图。图中， X轴磁敏传感器 ( , 2' )禾丫轴磁敏传感器 (3' , 4^f )感应平行于基片平面方向的 XY磁场分量，图中所示图形的所在平面平行于 XY平面。这些磁敏传感器可以是 AMR、 GMR或者 TMR传感器。每个磁敏传感器均包括两个参考元件 8' 和 9' ，直接位于通量集中器 5' 的下方，以及两个感应元件 7' 和 10' ，沿着通量集中器 5' 的外缘周園排列。参考元件 8' 和 9' 所在位置没有 XY磁场分量，所以将不对外磁场产生响应，从而通过两个 X, Y轴磁敏传感器输出双倍干感应元件 7' 和 10' 的磁场响应信¾参考元件 8' 和 9' 也可用感应元件取代和感应元件 7' 和 10' —起位于通量集中器 5' 的外缘周围。参考元件 8' 、 9，和感应元件 7' 、 10' 相间隔连接所构成的参考全桥如图 8所示，图中各元件钉扎层的磁化方向相同，该全桥电路的输出电压为 j

实施例六

图 9为:三轴数字指南针系统结构示意图， X、 Υ轴磁敏传感器中的感应元件 7和 8位于通量集中器 5的外圑边缘，参考元件 9和 10位于通量集中器 5的下方边缘，且参考元件 9、 10和感应元件 7、 8直接印制在 CMOS基片 15表面。图 10为三轴数字指南针系统的数字信号处理电路原理图。 X1、 X2、 Y1和 Υ2轴磁敏传感器 16的输出端与 ADC信号采集单元 17的输入端电连接，其输出信号 V_{1 x}、 V_2x、 V_3x和 V_4x通过 ADC信号采集单元 1 7转换成数字信号， ADC信号采集单元 1 7 再将转换成的数字信号输送给与其输出端电连接的信号处理单元 18，信号处理单元 1 8对信号 V_1x V_3x和 V_4x分别进行如下加法和减法的运算：

V_2x = S_2x( B_:€― >¾) + Vo

V_ly = S_ly{aB_y + γΒ_ζ) + Vo-

^2 ■= ¾y (β-^ψ― ¾) + ¾

其中， α , Y为外磁场经过通量集中器 5后磁场的增益系数，它们为其长度宽度 (W)和厚度 (ί)的函数。

A 分量：

B β ο, ζ

计算后得到的三维磁场分量经由信号输出单元 19输出，从而实现对数字王轴指南

Ζ轴的磁场分量对应两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应两个 Υ轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与两个 Υ轴磁敏传感器输出信号的差值之和。在本发明的实施例中，描述了最后一种对应方式, 但是前两种方法与之并无实质性区别，本领域技术人员在看到本实施例后，能够直接、毫无疑义的得出前两种方法，因此，在此不再累述前两种对应方式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术 A 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，

修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求：

1.一种三轴数字指南针，其特征在于：它包括

通量集中器，其用于对外磁场产生扭曲以使在 z轴的分量转变为 X轴、 Y轴磁场分量；两个 X轴磁敏传感器，所述 X轴磁敏传感器分别位于所述通量集中器沿 X轴方向的两侧边缘，每个 X轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于 X轴；

两个 Y轴磁敏传感器，所述 Y轴磁敏传感器分别位于所述通量集中器沿 Y轴方向的两侧边缘，每个 Y轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于 Y轴；

信号处理单元，其与信号采样单元的输出端相电连，所述信号处理单元对采样信号进行计算，计算出对应于 X轴、 Y轴和 z轴的磁场分量的数字信号；

信号输出单元，其将所述信号处理单元计算分离出来的数字信号输出。

2. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述各 X轴磁敏传感器、 Y 轴磁敏传感器沉积在基片表面并感应基片表面内的磁场分量。

3. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述各 X轴磁敏传感器、 Y 轴磁敏传感器为 AMR、 GMR或 TMR磁阻传感器之中的一种。

4. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述各 X轴磁敏传感器、 Y 轴磁敏传感器为自旋阀，并且所述 X轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向与 Y轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向相互正交。

5. 根据权利要求 1所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器各自至少包括一个感应元件和一个参考元件，所述参考元件位于所述通量集中器的下方，所述感应元件沿所述通量集中器的边缘排列。

6. 根据权利要求 1所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述 X轴的磁场分量对应两个 X轴磁敏传感器输出信号之和、所述 Y轴的磁场分量对应两个 Y轴磁敏传感器输出信号之和。

7. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述 Z轴的磁场分量对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

8. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述通量集中器的组成材料为高导磁率软磁金属材料 NiFe CoFeSiB CoZrNb CoFeB FeSiB 或 FeSiBNbCu 中的一种。

9. 根据权利要求 1 所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述通量集中器的厚度为 1- 20

10. 根据权利要求 1所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述基片采用 CMOS, 将所述 X轴磁敏传感器、 Y轴磁敏传感器印制在所述基片上面。

11. 根据权利要求 10所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述 X轴的磁场分量对应两个 X轴磁敏传感器输出信号之和、所述 Y轴的磁场分量对应两个 Y轴磁敏传感器输出信号之和。

12. 根据权利要求 10所述的一种三轴数字指南针，其特征在于，所述 Z轴的磁场分量对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个 X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个 Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。