地磁傳感器裝置以及數字羅盤的製作方法
2023-09-13 05:03:20
專利名稱：地磁傳感器裝置以及數字羅盤的製作方法
技術領域：
本發明涉及信息數字羅盤，尤其涉及一種具有地磁傳感器裝置的數字羅盤，其具有高信號輸出以及能高精度地測量出地磁方位角。
背景技術：
目前，由磁阻材料製成的數字羅盤(也成電子羅盤)在導航、定位和定航領域中十分普遍，其旨在測量地磁方向。與傳統的羅盤相比，該數字羅盤具有尺寸小、功耗低、成本低、靈敏度高以及相應頻率高等優點。由於磁阻材料的電阻會隨著外部磁場的變化而變化，因此，數字羅盤能夠利用該種效應來測量磁場。一般地，該種由磁阻材料製成的數字羅盤使用一個雙軸或三軸地磁傳感器測量在X軸，Y軸和Z軸上的地磁場分量，以及一個雙軸或三軸加速度傳感來測量俯仰角和橫滾角。通過以上信息則可測量出地磁方位角。圖I展示了一種傳統的數字羅盤500，其包括用以檢測地磁方位角的雙軸地磁傳感器501 ;用於在水平線基礎上，檢測傾斜地磁角的加速度傳感器502 ;用於放大及過濾地磁傳感器501和加速度傳感器502所檢測的信號的模擬處理器503 ;用於將輸出信號轉換成數位訊號的模擬/數字(A/D)轉換器504 ;以及用於在從A/D轉換器504接收的數位訊號的基礎上，計算地磁方位角的數字處理器505，並進行校正操作。具體地，該地磁傳感器501用於測量地球的磁場強度，其包括相互垂直放置的X軸傳感器和Y軸傳感器。加速度傳感器502測量俯仰角和橫滾角從而補償傾斜坐標。然而，輸出信號和測量精度一直是人們關注的主要問題。如上所及，上述的數字羅盤必須接收數位訊號以進行校正操作。此外，地磁傳感器501接收的輸出信號可能隨外部環境而突然變化，使得數字羅盤的輸出信號的偏移值也隨外部環境而突然改變。從此，降低地磁方位角的測量精度。另外，上述的數字羅盤結構複雜，成本較高。因此，亟待一種具有改進的地磁傳感器裝置的數字羅盤，其以克服上述缺陷。
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種具有簡單結構的地磁傳感器裝置，其能獲得穩定且較高的輸出信號，並能高精度地測量地磁方位角。本發明的另一目的在於提供一種具有地磁傳感器裝置的數字羅盤，其能獲得穩定且較高的輸出信號，並能高精度地測量地磁方位角。為實現上述目的，本發明提供一種地磁傳感器裝置，包括第一地磁傳感器及第二地磁傳感器，所述第一地磁傳感器包括第一惠斯通電橋電路及第二惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系。所述第二地磁傳感 器包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及一對信號輸出端。
作為ー個實施例，所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為Y-Z垂直坐標系。較佳地，所述第一惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第二惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。作為另ー實施例，所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為X-Z垂直坐標系。較佳地，所述第二惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第一惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。較佳地，所述磁阻元件為巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向異性磁阻元件或霍爾元件。本發明提供ー種數字羅盤，包括一地磁傳感器裝置，所述地磁傳感器裝置包括第一地磁傳感器及第ニ地磁傳感器，所述第一地磁傳感器包括第一惠斯通電橋電路及第ニ惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系。所述第二地磁傳感器包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及ー對信號輸出端。作為ー個實施例，所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為Y-Z垂直坐標系。較佳地，所述第一惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第二惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。作為另ー實施例，所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為X-Z垂直坐標系。較佳地，所述第二惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第一惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。較佳地，所述磁阻元件為巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向異性磁阻元件或霍爾元件。 與現有技術相比，第一地磁傳感器的兩個惠斯通電橋電路放置在同一水平坐標系中測量俯仰角，第二地磁傳感器的兩個惠斯通電橋電路放置在同一垂直坐標系中測量橫滾角，從而測量出地磁場的地磁方位角，進而實現定位。本發明能獲得穩定且較高的輸出信號，井能高精度地測量地磁方位角。再且，本發明的地磁傳感器裝置的結構簡單，能夠縮減製造成本。
通過以下的描述並結合附圖，本發明將變得更加清晰，這些附圖用於解釋本發明的實施例。
圖I為傳統的數字羅盤的結構框圖。圖2為本發明地磁傳感器裝置的第一個實施例的結構框圖。圖3為圖2所示的地磁傳感器裝置的結構示意圖。圖4為GMR元件的結構圖。 圖5為第一地磁傳感器的第一惠斯通電橋電路的詳細結構圖。圖6為第一惠斯通電橋電路的輸出信號的曲線圖。圖7為本發明地磁傳感器裝置的第二實施例的結構示意圖。圖8為本發明數字羅盤的一個實施例的結構框圖。
具體實施例方式下面將參考附圖闡述本發明幾個不同的最佳實施例，其中不同圖中相同的標號代表相同的部件。如上所述，本發明的實質在於一種具有地磁傳感器裝置的數字羅盤，該地磁傳感器裝置包括第一地磁傳感器，包括第一惠斯通電橋電路及第二惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系；以及第二地磁傳感器，包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及一對信號輸出端。本發明能獲得穩定而較高的輸出信號以及能夠高精度測量地磁方位角。圖2、3展示了本發明地磁傳感器裝置的第一實施例。如圖所示，該地磁傳感器裝置I包括第一地磁傳感器110以及第二地磁傳感器120。該第一地磁傳感器110包括布置於X-Y水平坐標系的第一惠斯通電橋電路IlOa及第二惠斯通電橋電路110b。第二地磁傳感器120包括布置於Y-Z垂直坐標系的第三惠斯通電橋電路120c及第四惠斯通電橋電路120d。具體地，該第一惠斯通電橋電路IlOa垂直於第二惠斯通電橋電路110b，兩者位於同一水平面上。類似地，該第三惠斯通電橋電路120c垂直於第四惠斯通電橋電路120d，兩者位於同一垂直面上。每一個惠斯通電橋電路均由四個磁阻元件，如巨磁阻(giant magnetoresistive,GMR)元件組成。在本發明構思下，該磁阻元件也可以是隧道磁阻(tunnel magnetoresistiv,TMR)兀件、各向異性磁阻(anisotropic magnetoresistive,AMR)元件或者霍爾(Hall)元件,從而構成惠斯通電橋電路。圖4展示了一個GMR元件的結構，其包括依次層壓的襯底層101、緩衝層102、固定層107以及蓋帽層106。具體地，該固定層107包括用於將磁化方向釘扎在一個固定方向的釘扎層105，具有一個隨外部磁場變化的磁化方向的自由層103，以及層壓於釘扎層105和自由層103之間的間隔層104。該間隔層104用作一個非磁電導體。為眾所知,GMR兀件的電阻隨著釘扎層105的磁化方向和自由層103的磁化方向之間的夾角變化而變化。而當GMR兀件位於一外部磁場時，自由層103的磁化方向會因外部磁場的影響而改變，即，釘扎層105的磁化方向和自由層103的磁化方向之間的夾角發生變化。因此，GMR元件的電阻也發生變化，進而產生用於測量地磁方向的電壓信號輸出。現對第一惠斯通電橋電路IlOa的詳細結構進行說明。如圖5所示，該第一惠斯通電橋電路IlOa包括四個GMR元件，簡稱為Gla，G2a，G3a及G4a，每一 GMR元件具有磁化方向Pla，P2a，P3a，P4a。具體地，該四個GMR元件相互連接，磁化方向Pla，P2a，P3a，P4a位於X軸的方向上。具體地，磁化方向Pla和P4a沿X軸的負方向，磁化方向P2a和P3a沿X軸的正方向。亦即，Gla、G2a的磁化方向Pla、P2a相互相反，而G3a及G4a的磁化方向P3a、P4a則相互相對。另外，該第一惠斯通電橋電路IlOa提供ー對電源輸入端以及ー對信號輸出端。例如，Gla和G3a之間的端點Al以及G2a和G4a之間的端點A2作為電源輸入端，而Gla和G2a之間的端點A3以及G3a和G4a之間的端點A4作為信號輸出端。可選地，A1，A2可作為信號輸出端，而A3, A4作為電源輸入端。信號的輸入取決於Gla, G2a, G3a及G4a的電阻在外部磁場作用下磁化方向的變化。類似地，第二惠斯通電橋電路11Ob與第一惠斯通電橋電路11Oa相似。該第二惠斯通電橋電11b同樣包括Glb，G2b，G3b及G4b，每ー GMR元件具有磁化方向PIb，P2b，P3b，P4b。區別在於，磁化方向Plb，P2b，P3b，P4b位於Y軸的方向上，而磁化方向Plb和P4b沿Y軸的正方向，磁化方向P2b和P3b沿Y軸的負方向。亦即，Glb、G2b的磁化方向Plb、P2b相互相反，而G3b及G4b的磁化方向P3b、P4b則相互相対。一對電源輸入端BI、B2分別設置於Glb和G3b之間以及G2b和G4b之間，ー對信號輸出端B3、B4分別設置於Glb和G2b之間以及G3b和G4b之間。作為一個實施例，電源輸入端Al、BI共同接入一個電壓，而電源輸入端A2、B2接地。可選地，電源輸入端A2、B2也可設置輸入一個和Al、BI不同的電壓。如上所述，第一惠斯通電橋電路IlOa的磁化方向位於X軸上，第二惠斯通電橋電路IlOb的磁化方向位於Y軸上，g卩，兩者互相垂直。因此，當外部磁場的方向在0-180°之間改變，第一、第二惠斯通電橋電路110a, IlOb的磁化方向隨著改變,從而使第一惠斯通電橋電路IlOa的信號輸出端Al,A2輸出ー個正弦信號,第二惠斯通電橋電路IlOb的信號輸出端BI,B2輸出ー個餘弦信號。從而，通過對正弦信號和餘弦信號進行反正切計算，則可計算出地磁場相對第一地磁傳感器110的俯仰角。圖6展不了信號輸出端A3、A4和B3、B4的輸出曲線，其中兩個信號輸出的相位差為90°。再次參考圖3所示，第二地磁傳感器120包括放置於Y-Z垂直坐標系上的第三惠斯通電橋電路120c和第四惠斯通電橋電路120d。具體地，該第三惠斯通電橋電路120c沿著Y-Z垂直坐標系的Y軸布置，第四惠斯通電橋電路120d沿著Y-Z垂直坐標系的Z軸布置。具體地，第二惠斯通電橋電路IlOb和第三惠斯通電橋電路120c具有相同的結構和布置。每ー個GMR元件Glc，G2c，G3c及G4c分別具有ー個磁化方向Plc，P2c，P3c，P4c。磁化方向Plc，P2c，P3c，P4c和磁化方向Plb，P2b，P3b，P4b 一致，皆位於Y軸的方向上，而且，姆一 GMR兀件的對應方向也一樣。電源輸入端Cl,C2分別設置於Glc和G3c之間以及G2c和G4c之間，信號輸出端C3、C4分別設置於Glc和G2c之間以及G3c和G4c之間。如上所及，沿Y-Z垂直坐標系的Z軸排布的第四惠斯通電橋電路120d包括四個GMR元件Gld，G2d，G3d及G4d，每ー GMR元件分別具有ー個磁化方向Pld，P2d，P3d，P4d。具體地，該磁化方向Pld和P4d沿著Z軸的負方向，磁化方向P2d和P3d沿著Z軸的正方向。即，Gld和G2d的磁化方向Pld、P2d相互相反，而G3d及G4d的磁化方向P3d、P4d則相互相對。電源輸入端Dl，D2分別設置於Gld和G3d之間以及G2d和G4d之間，信號輸出端D3、D4分別設置於Gld和G2d之間以及G3d和G4d之間。同樣地，電源輸入端Cl、D1共同接入一個電壓，而電源輸入端C2、D2接地。可選地，電源輸入端C2、D2也可設置輸入ー個和Cl、DI不同的電壓。如上所述，第三惠斯通電橋電路IlOa的磁化方向位於Y軸上,第四惠斯通電橋電路IlOb的磁化方向位於Z軸上，即，兩者互相垂直。因此，當外部磁場的方向在0-180°之間改變，第三、第四惠斯通電橋電路120c，120d的磁化方向隨著改變,從而使第三惠斯通電橋電路120c的信號輸出端Cl、C2輸出一個正弦信號，第四惠斯通電橋電路120d的信號輸出端Dl、D2輸出一個餘弦信號。從而，通過對正弦信號和餘弦信號進行反正切計算，則可計算出地磁場相對第二地磁傳感器120的傾斜角或橫滾角。同樣地，信號輸出端C3、C4和D3、D4的信號輸出的相位差為90°。通過結合第一地磁傳感器110測出的俯仰角和第二地磁傳感器120測出的橫滾角，可以計算出地磁場的地磁方位角，從而達到定位的目的。再且，由於第二惠斯通電橋電路IlOb和第三惠斯通電橋電路120d的磁化方向都在Y軸上，而且兩者的結構、GMR元件布置一樣，因此，Y軸作為第一地磁傳感器110和第二地磁傳感器120的公共軸，而第二惠斯通電橋電路IlOb和第三惠斯通電橋電路120d的輸出信號可作為計算基準，從而提高俯仰角和橫滾角的測量精度。基於上述地磁傳感器裝置I的結構和GMR元件布置，本發明的地磁傳感器裝置I能達到穩定且較高的輸出信號，並能高精度地測量地磁方位角。圖7展示了本發明地磁傳感器裝置2的第二個實施例。本實施例的地磁傳感器裝置2與第一個實施例相似,不同之處在於,第一地磁傳感器110和第二地磁傳感器120』之間的公共軸為X軸。具體地，該第一地磁傳感器110和第一實施例一樣，而第二地磁傳感器120』的結構和布置則與第一實施例不同。更具體地，該第二地磁傳感器120』包括布置在X-Z垂直坐標系上的第三惠斯通電橋電路120』 c和第四惠斯通電橋電路120d。其中，第四惠斯通電橋電路120d的結構和布置和第一實施例相同，其沿著Z軸設置，其GMR元件的磁化方向？1山？2(1，？3(1，？4(1位於2軸上。而第三惠斯通電橋電路120』 c沿著X-Z垂直坐標系的X軸設置,其具有與第一惠斯通電橋電路IlOa相同的布置。磁化方向Pic, P2c, P3c,P4c和磁化方向Pla，P2a，P3a，P4a 一致，皆位於X軸的方向上，而且，每一 GMR元件的對應方向也一樣。電源輸入端Cl, C2分別設置於Glc和G3c之間以及G2c和G4c之間,信號輸出端C3、C4分別設置於Glc和G2c之間以及G3c和G4c之間。類似地，通過對信號輸出端A3、A4和B3、B4輸出的正弦信號和餘弦信號進行反正切計算，則可計算出地磁場相對第一地磁傳感器110的俯仰角，而通過對信號輸出端C3、C4和D3、D4輸出的正弦信號和餘弦信號進行反正切計算，則可計算出地磁場相對第二地磁傳感器120』的橫滾角，從而計算出地磁場的地磁方位角，進而達到定位的目的。在本實施例中，X軸作為第一地磁傳感器110和第二地磁傳感器120』的公共軸，而第一惠斯通電橋電路IlOa和第三惠斯通電橋電路120』c的輸出信號可作為計算基準，從而提高俯仰角和橫滾角的測量精度。圖8展示了本發明數字羅盤3的一個實施例，其包括連接的地磁傳感器裝置I或2，模擬處理器31，A/D轉換器32以及中央處理器(CPU) 33。該地磁傳感器裝置I或2用於測量俯仰角和橫滾角，並計算定位信息。該模擬處理器31用於放大和過濾地磁傳感器裝置 I或2，該A/D轉換器32用於將輸出的模擬信號轉換成數位訊號，而CPU 33則用於執行計算、校準和必要的補償操作。以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種地磁傳感器裝置，其特徵在於，包括 第一地磁傳感器，包括第一惠斯通電橋電路及第二惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系；以及 第二地磁傳感器，包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系； 所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及一對信號輸出端。
2.如權利要求I所述的地磁傳感器裝置，其特徵在於所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為Y-Z垂直坐標系。
3.如權利要求I所述的地磁傳感器裝置，其特徵在於所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為X-Z垂直坐標系。
4.如權利要求2所述的地磁傳感器裝置，其特徵在於所述第一惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第二惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。
5.如權利要求3所述的地磁傳感器裝置，其特徵在於所述第二惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第一惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。
6.如權利要求I所述的地磁傳感器裝置，其特徵在於所述磁阻元件為巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向異性磁阻元件或霍爾元件。
7.一種數字羅盤，包括一地磁傳感器裝置，其特徵在於，所述地磁傳感器裝置包括 第一地磁傳感器，包括第一惠斯通電橋電路及第二惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系；以及 第二地磁傳感器，包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系； 所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及一對信號輸出端。
8.如權利要求7所述的數字羅盤，其特徵在於所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為Y-Z垂直坐標系。
9.如權利要求7所述的數字羅盤，其特徵在於所述水平坐標係為X-Y水平坐標系，所述垂直坐標係為X-Z垂直坐標系。
10.如權利要求8所述的數字羅盤，其特徵在於所述第一惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上，所述第二惠斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第四惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Z軸上。
11.如權利要求9所述的數字羅盤，其特徵在於所述第二惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於Y軸上，所述第一斯通電橋電路及所述第三惠斯通電橋電路的磁阻元件的磁化方向位於X軸上,所述第四惠斯通電橋電路的磁阻兀件的磁化方向位於Z軸上。
12.如權利要求7所述的數字羅盤，其特徵在於所述磁阻元件為巨磁阻元件、隧道磁阻元件、各向異性磁阻元件或霍爾元件
全文摘要
本發明公開了一種地磁傳感器裝置，其包括第一地磁傳感器及第二地磁傳感器，所述第一地磁傳感器包括第一惠斯通電橋電路及第二惠斯通電橋電路，所述第一惠斯通電橋電路及所述第二惠斯通電橋電路位於同一水平坐標系。所述第二地磁傳感器包括第三惠斯通電橋電路及第四惠斯通電橋電路，所述第三惠斯通電橋電路及所述第四惠斯通電橋電路位於同一垂直坐標系。所述第一、第二、第三及第四惠斯通電橋電路均包括至少四個連接的磁阻元件，一對電源輸入端及一對信號輸出端。本發明的地磁傳感器裝置能獲得穩定且較高的輸出信號，並能高精度地測量地磁方位角。本發明還公開了一種數字羅盤。
文檔編號G01C17/30GK102620724SQ20111002790
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者姚明高, 山野井康友 申請人:新科實業有限公司