專利名稱：Tmr電子羅盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)原理的電子羅盤。
背景技術(shù)：
采用磁電阻材料制備的電子羅盤也被稱之為數(shù)字羅盤，被廣泛應(yīng)用 在導(dǎo)航，定位， 定向領(lǐng)域，其工作原理是測(cè)量地磁場(chǎng)的方向。雖然GPS在上述領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但 由于其信號(hào)常被建筑物阻擋，導(dǎo)致精度大大降低。尤其在高樓林立的市中心和植被茂密的 林區(qū)，并且在靜止的情況下，GPS無(wú)法給出方向信息。為了彌補(bǔ)這一不足，通常采用GPS加 電子羅盤的組合導(dǎo)航定向方法，從而保證導(dǎo)航定向信息100%有效。電子羅盤與傳統(tǒng)的羅盤及慣性導(dǎo)航設(shè)備相比，具有較突出的優(yōu)點(diǎn)體積小，功耗 低，成本低，靈敏度高，集成度高，響應(yīng)頻率高，抗沖擊性強(qiáng)，能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，溫度 特性好等。基于磁電阻材料制備的電子羅盤以三軸磁傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)在X軸，Y軸和Z軸 上的分量，加以兩軸或三軸的加速度傳感器測(cè)量仰角和橫滾角，中和計(jì)算得出地磁場(chǎng)的方 位角。目前制備電子羅盤的傳感器有各向異性磁電阻NiFe傳感器，Hall傳感器，GMI傳 感器和GMR傳感器。Hall傳感器電子羅盤，其功耗較高，靈敏度低，飽合場(chǎng)小。各向異性磁 電阻NiFe傳感器電子羅盤，其功耗較高，尺寸大，飽合場(chǎng)小。GMI傳感器電子羅盤，其功耗 高，芯片封裝成本高。GMR傳感器電子羅盤，其功耗較高，尺寸大，飽合場(chǎng)小，靈敏度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了利用隧道結(jié)磁阻效應(yīng)原理TMR傳感器和巨霍爾效應(yīng)傳感器制備電 子羅盤，解決目前電子羅盤動(dòng)態(tài)范圍低容易飽和，測(cè)量精度低，封裝尺寸較大，功耗高，溫度 特性差等問(wèn)題。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，有兩種結(jié)構(gòu)的TMR電子羅盤，分別如下三軸TMR電子羅盤包括封裝在一起相互之間位置固定的三個(gè)TMR惠斯通電橋 傳感器芯片、一個(gè)三軸的加速度傳感器芯片、一個(gè)傳感器專用ASIC芯片和一個(gè)微處理器芯 片，所述傳感器專用ASIC芯片分別與三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片、三軸的加速度傳感 器芯片、微處理器芯片相連。所述三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向分別 沿著直角坐標(biāo)系X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向。所述TMR惠斯通電橋傳感器芯片上由4個(gè)TMR 磁阻元件組成惠斯通電橋。兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤包括封裝在一起相互之間位置固定的兩個(gè)TMR 惠斯通電橋傳感器芯片、一個(gè)巨霍爾傳感器芯片、一個(gè)三軸的加速度傳感器芯片、一個(gè)傳感 器專用ASIC芯片和一個(gè)微處理器芯片，所述傳感器專用ASIC芯片分別與兩個(gè)TMR惠斯通 電橋傳感器芯片、巨霍爾傳感器芯片、三軸的加速度傳感器芯片、微處理器芯片相連。所述 兩個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向分別沿直角坐標(biāo)系X軸和Y軸，巨霍爾 傳感器芯片所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向垂直于Z軸。所述巨霍爾傳感器芯片的材料是多層磁性薄膜結(jié)構(gòu) X/CoPt。本發(fā)明的電子羅盤與現(xiàn)有電子羅盤產(chǎn)品相比，其具有動(dòng)態(tài)范圍寬(大于士500e)， 測(cè)量精度高(小于0. 1° )，封裝尺寸小(1. 5 X 1. 5X0. 9毫米)，溫度特性好，響應(yīng)頻率高， 成本低，功耗低和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是TMR工作原理及結(jié)構(gòu)示意2是TMR組成的惠斯通電橋工作原理及結(jié)構(gòu)示意3是三軸TMR電子羅盤的結(jié)構(gòu)示意4是巨霍爾傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理示意5是兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及利用隧道結(jié)磁阻效應(yīng)原理(TMR)的電子羅盤。TMR電子羅盤包括TMR 惠斯通電橋傳感器，巨霍爾效應(yīng)磁傳感器，三軸加速度傳感器芯片，傳感器ASIC芯片和微 型中央處理器。用于測(cè)量地磁場(chǎng)，從而確定方向。以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步地詳盡闡述。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)的結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，由納米級(jí)多層膜組成釘扎層1， 磁性被釘扎層2，非磁性氧化物層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。 磁性自由層4的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩 方向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場(chǎng)7的大小和方向的改變而變化。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)的工作原理，隧道結(jié)TMR的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩 方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。當(dāng)磁性自由層4的磁矩方 向6隨著外加磁場(chǎng)7的大小和方向的改變而變化時(shí)，隧道結(jié)TMR的磁阻也隨之變化。如圖 1 (b)所示，當(dāng)外加磁場(chǎng)7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時(shí)，同時(shí)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度大 于Hl時(shí)，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場(chǎng)7的方向平行，進(jìn)而與磁性被釘扎層2的磁 矩方向5平行，如8所示，這時(shí)隧道結(jié)TMR的磁阻最小。當(dāng)外加磁場(chǎng)7的方向與被釘扎層2 的磁矩方向5反平行時(shí)，同時(shí)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于H2時(shí)，磁性自由層4的磁矩方向與外加 磁場(chǎng)7的方向反平行，進(jìn)而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示，這時(shí)隧道結(jié) TMR的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場(chǎng)范圍就是TMR的測(cè)量范圍。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)惠斯通電橋，如圖2(a)所示，由四個(gè)TMR元件組成211， 212，213，214。其中TMR元件211與214的磁性被釘扎層的磁矩方向221，223與TMR元件 212，213的磁性被釘扎層的磁矩方向222，224方向反平行。TMR元件211，212，213，214的 磁性自由層的方向231，232，233，234相互平行。電極215，126是TMR惠斯通電橋的電壓輸 入端，電極217，218是TMR惠斯通電橋的電壓輸出端。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)惠斯通電橋的工作原理，如圖2 (b)所示，TMR惠斯通電橋 的輸出電壓V = Vout (+)-Vout (-) = 217-218隨著外磁場(chǎng)7的方向和大小的改變而發(fā)生變 化。當(dāng)外加磁場(chǎng)7的方向?yàn)樨?fù)(-)且磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hl時(shí)，TMR惠斯通電橋的輸出電壓最低。 當(dāng)外加磁場(chǎng)7的方向?yàn)檎徘掖艌?chǎng)強(qiáng)度大于H2時(shí)，TMR惠斯通電橋的輸出電壓最高。Hl與H2之間的磁場(chǎng)范圍就是TMR惠斯通電橋的測(cè)量范圍。如圖3所示，三軸TMR電子羅盤包括三個(gè)TMR惠斯通電橋311，312，313，一個(gè)三軸加速度傳感器芯片314，一個(gè)傳感器專用芯片315，一個(gè)微型中央處理器芯片(MCU) 316，，所 述傳感器專用ASIC芯片分別與三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片、三軸的加速度傳感器芯 片、微處理器芯片相連，這些芯片按照一定的排布封裝在一起。三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器 芯片311，312，313所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向分別沿著X軸，Y軸和Z軸三個(gè)方向相互成90°排列。 三軸的加速度傳感器芯片314，ASIC芯片315和MCU芯片316排列在與X軸和Y軸方向的 TMR惠斯通電橋傳感器芯片311和312同一個(gè)平面內(nèi)。三軸TMR電子羅盤的工作原理是 TMR惠斯通電橋311，312和313分別測(cè)量出地磁場(chǎng)在X軸，Y軸和Z軸上的分量，三軸的加 速度傳感器314測(cè)量出電子羅盤的仰角和橫滾角，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到地磁場(chǎng)的方位信息。ASIC 芯片315的功能是對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，MCU芯片316的功能是對(duì)多路傳感 器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和必須的補(bǔ)償。巨霍爾磁場(chǎng)傳感器形狀如圖4(a)所示，其材料是磁性多層薄膜結(jié)構(gòu)(X/CoPt)， 413和414是電流輸入輸出端，411和412是電壓輸出端。當(dāng)電流415由電流端414流向413 時(shí)，如果有外加磁場(chǎng)416 (其方向垂直于電流端和電壓端組成的平面)作用在巨霍爾磁場(chǎng)傳 感器上，這是電壓端411和412將產(chǎn)生電壓差。巨霍爾磁場(chǎng)傳感器的工作特性，如圖4(b) 所示，當(dāng)傳感器有恒定電流通過(guò)時(shí)，巨霍爾磁場(chǎng)傳感器的輸出電壓V = Vout (+)-Vout (-)= 412-411隨著外磁場(chǎng)416的方向和大小的改變而發(fā)生變化。如圖5所示，兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤包括兩個(gè)TMR惠斯通電橋311，312， 一個(gè)巨霍爾磁場(chǎng)傳感器511，一個(gè)三軸加速度傳感器芯片314，一個(gè)傳感器專用芯片315，一 個(gè)微型中央處理器(MCU) 316，所述傳感器專用ASIC芯片分別與兩個(gè)TMR惠斯通電橋傳感 器芯片、巨霍爾傳感器芯片、三軸的加速度傳感器芯片、微處理器芯片相連，這些芯片按照 一定的排布封裝在一起。兩個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片311，312所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向沿著 X軸和Y軸防線，巨霍爾傳感器芯片511所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向垂直于Z軸方向。三軸的加速 度傳感器芯片314，ASIC芯片315和MCU芯片316排列在TMR惠斯通電橋傳感器芯片和巨 霍爾傳感器芯片同一個(gè)平面內(nèi)。其工作原理是，兩軸TMR惠斯通電橋芯片311和312分別 測(cè)量出地磁場(chǎng)在X軸，Y軸方向上的分量，而Z軸上的分量由巨霍爾傳感器芯片511測(cè)得， 三軸的加速度傳感器314測(cè)量出電子羅盤的仰角和橫滾角，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到地磁場(chǎng)的方位信 息。ASIC芯片315的功能是對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，MCU芯片316的功能是對(duì) 多路傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和必須的補(bǔ)償。本發(fā)明的電子羅盤用隧道結(jié)磁阻效應(yīng)原理TMR傳感器和巨霍爾效應(yīng)傳感器，其具 有動(dòng)態(tài)范圍寬(大于士500e)，測(cè)量精度高(小于0. 1° )，封裝尺寸小(1.5X1. 5X0. 9毫 米)，溫度特性好，響應(yīng)頻率高，成本低，功耗低和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
三軸TMR電子羅盤，其特征是包括封裝在一起相互之間位置固定的三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片、一個(gè)三軸的加速度傳感器芯片、一個(gè)傳感器專用ASIC芯片和一個(gè)微處理器芯片，所述傳感器專用ASIC芯片分別與三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片、三軸的加速度傳感器芯片、微處理器芯片相連。
2.如權(quán)利要求1所述的三軸TMR電子羅盤，其特征是所述三個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器 芯片所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向分別沿著直角坐標(biāo)系X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向。
3.如權(quán)利要求1所述三軸TMR電子羅盤，其特征是所述TMR惠斯通電橋傳感器芯片上 由4個(gè)TMR磁阻元件組成惠斯通電橋。
4.兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤，其特征是包括封裝在一起相互之間位置固定的 兩個(gè)TMR惠斯通電橋傳感器芯片、一個(gè)巨霍爾傳感器芯片、一個(gè)三軸的加速度傳感器芯片、 一個(gè)傳感器專用ASIC芯片和一個(gè)微處理器芯片，所述傳感器專用ASIC芯片分別與兩個(gè)TMR 惠斯通電橋傳感器芯片、巨霍爾傳感器芯片、三軸的加速度傳感器芯片、微處理器芯片相 連。
5.如權(quán)利要求4所述的兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤，其特征是所述兩個(gè)TMR惠斯 通電橋傳感器芯片所感應(yīng)的磁場(chǎng)方向分別沿直角坐標(biāo)系X軸和Y軸，巨霍爾傳感器芯片所 感應(yīng)的磁場(chǎng)方向垂直于Z軸。
6.如權(quán)利要求4所述的兩軸TMR和一軸巨霍爾電子羅盤，其特征是所述巨霍爾傳感器 芯片的材料是多層磁性薄膜結(jié)構(gòu)X/CoPt。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用隧道結(jié)磁阻效應(yīng)原理TMR的電子羅盤。TMR電子羅盤包括TMR惠斯通電橋傳感器，巨霍爾效應(yīng)磁傳感器，三軸加速度傳感器芯片，傳感器ASIC芯片和微型中央處理器。其中TMR惠斯通電橋傳感器用于測(cè)量X方向和Y方向的磁場(chǎng)。Z方向的磁場(chǎng)即可以由TMR惠斯通電橋傳感器來(lái)測(cè)量，也可以由巨霍爾效應(yīng)磁傳感器來(lái)測(cè)量，本發(fā)明中闡述了這兩種設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明中的TMR電子羅盤具有以下特性動(dòng)態(tài)范圍寬，測(cè)量精度高，封裝尺寸小，溫度特性好，響應(yīng)頻率高，成本低和抗干擾性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01C17/32GK101813479SQ201010147479
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者王建國(guó), 薛松生 申請(qǐng)人:王建國(guó);薛松生