帶方位測量的便攜電子設備及其磁傳感器的製作方法

2023-06-06 01:20:21 4

專利名稱：帶方位測量的便攜電子設備及其磁傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有帶永磁和方位測量的通信設備的可攜式電子設備，一種適於該設備的磁傳感器單元，以及用於該設備的方位測量方法。
背景技術：
已知磁傳感器單元是用於檢測地磁和測量方位的。近期的研究方向主要是將導向功能添加到典型的具有通信裝置的手機之類的可攜式電子設備以及能夠檢測地磁的磁傳感器單元、包括揚聲器、麥克風、收發機電路、顯示裝置等的通信設備。
包括揚聲器、麥克風、顯示裝置等的通信設備具有永磁場。磁傳感器單元輸出對應於地磁場和永磁磁場的合成磁場的信號。因此，就出現下面的問題，從磁傳感器單元輸出的信號確定的方位是不準確的。永磁的磁場是隨著磁體的溫度而改變的。如果僅通過磁傳感器信號在一溫度上檢測的磁體的磁場的影響來校正磁傳感器單元的信號，並且從該校正的信號中確定方位，則當磁體溫度變化時，所確定的方位是不正確的。
實用新型內容本實用新型的一個目的在於提供一種即使在永磁體溫度改變時也能夠以高精度測量方位的可攜式電子設備、一種適於該設備的磁傳感器單元。
本實用新型的另一個目的在於提供一種能夠以高精度測量方位的方位測量方法，其是通過用戶的簡單操作，估計該設備的永磁體的磁場對磁傳感器單元的影響來達到上述目的的。
根據本實用新型的一個方面，提供一種帶方位測量的可攜式電子設備，包括外殼；通信裝置，位於所述外殼中，並具有永磁體；以及方位測量裝置，位於所述外殼中，通過利用地磁來測量方位。其中所述方位測量裝置包括磁傳感器，輸出對應於外磁場的信號。所述方位測量裝置還包括溫度傳感器，該溫度傳感器檢測溫度；校正器，根據溫度傳感器所檢測的溫度，估計通信裝置中永磁體的磁場對從所述磁傳感器輸出的信號的影響，並根據所述估計的影響校正從所述磁傳感器輸出的信號；以及方位確定裝置，根據校正器所校正的信號確定方位。所檢測的溫度對應於永磁體的溫度。檢測溫度也包括估計溫度。
根據所檢測的溫度，估計永磁體的磁場對磁傳感器的輸出的影響。通過所估計的影響，來校正磁傳感器單元的輸出。根據校正的磁傳感器的輸出確定方位。因此即使在永磁體的溫度變化，並且永磁體的磁場對磁傳感器單元的輸出的影響變化的情況下，也能夠以高精確度測量和確定方位。
以例如下面的方式，能夠估計永磁體的磁場對磁傳感器的輸出的影響。首先可攜式電子設備放置在桌子上，測量磁傳感器單元輸出的信號作為第一值。接著，在桌上的手機旋轉180°的狀態中，測量磁傳感器單元輸出的信號作為第二值。第一和第二值的和除以2(獲得第一和第二值的平均值)。該估計需要用戶將在桌上的手機旋轉180°並執行其它操作。這些操作對用戶來說是比較厭煩的，因此所需的這種操作要儘可能得少。
最好是，校正裝置在第一溫度和不同於第一溫度的第二溫度上，測量包含在磁傳感器輸出的信號中的永磁體的磁場的影響，並根據第一和第二溫度、以及使用溫度傳感器檢測的當前的溫度上的變化，估計永磁體的磁場的影響。
通過在第一和第二溫度上測量永磁體的磁場的影響，能夠估計在另一溫度上的影響。因此，在減少用於影響估計的由用戶執行的多個操作的同時，能夠以高精確度測量方位。根據實驗，可攜式電子設備的永磁體的磁場大約與永磁體的溫度成比例。因此，在當前時刻的溫度上的影響，可以通過相對於該溫度，執行對在第一和第二溫度上的影響的線性內插或外插來容易地估計。
永磁體的磁場的影響的測量不可避免地包含測量誤差。因此，如果第一和第二溫度之間的差值太小，則當根據在第一和第二溫度上永磁體的磁場的影響，估計在另一溫度上的永磁體的磁場的影響時，則擔心會出現在每一溫度上影響的測量誤差可能會極大地降低在另一溫度上的影響的估計精確度。
為避免這種情況，校正器最好提供有初始提示裝置，用於當在第一溫度上測量影響之後，使用所述溫度傳感器檢測的溫度與第一溫度之間的差值變為預定溫度、或更高時，提示該可攜式電子設備的用戶執行獲得在第二溫度上的影響的操作。該初始提示裝置可以是在可攜式電子設備的顯示單元上顯示這種效果的裝置，或用於從可攜式電子設備的聲音生成裝置生成這種效果的消息的聲音的裝置。
如果以上述方式，獲得在第一和第二溫度上的影響，就能夠避免包含在影響測量中的測量誤差大大地降低在另一溫度上的影響的估計精確度。因為當在第二溫度上測量影響時的時間通知給用戶，所以能夠避免不必要的初始操作。
根據本實用新型的另一個方面，提供一種磁傳感器，包括基板；磁傳感器部件，形成於所述基板上，輸出對應於外磁場方向和幅度的信號；所述磁傳感器還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器形成於所述基板上，感知溫度。
提供一種緊湊、成本低廉並能夠相對於永磁體的溫度補償永磁體的磁場對方位測量的影響的磁傳感器是可能的，並且該磁傳感器適合於具有永磁體的可攜式電子設備。
最好磁傳感器包括多個磁傳感器部件，並且磁傳感器部件是磁阻響應部件，具有固定磁化方向的固著層(pinned layer)和磁化方向隨外磁場變化的自由層，並且所述磁傳感器部件根據固著層的磁化方向與自由層的磁化方向之間的夾角來改變其磁阻值。並且在多個磁阻效應部件中至少兩個部件的固著層的磁化方向是交叉(cross)的。
因此，通過使用大磁阻效應(GMR)部件或磁隧穿效應(TMR)部件，能夠提供一種以高精確度測量方位的磁傳感器。
最好磁傳感器還包括形成於相同基板上的數位訊號處理電路。
能夠提供一種磁傳感器，其結構更緊湊，能夠處理數位訊號形式的信號，並適合於可攜式電子設備。
根據本實用新型的再一方面，提供一種方位測量方法，包括步驟準備可攜式電子設備，該可攜式電子設備包括外殼，具有第一平面；通信裝置，位於外殼中，並具有永磁體；磁傳感器，位於外殼中，並輸出對應於外磁場的信號；以及輸出裝置，形成於第一平面，用於輸入操作信號；當輸入操作信號時，在可攜式電子設備的第一平面朝上的狀態中，測量從磁傳感器輸出的信號，作為第一值；當輸入操作信號時，在可攜式電子設備的第一平面朝上，並且在測量第一值之後，可攜式電子設備旋轉180°的狀態中，測量從磁傳感器輸出的信號，作為第二值；根據第一和第二值，估計永磁體的磁場對磁傳感器輸出的信號的影響；根據所估計的影響，校正從磁傳感器輸出的信號；以及根據磁傳感器的校正信號，確定方位。
在可攜式電子設備被旋轉180°之前和之後，相同幅度和相反方向的地磁施加到磁傳感器上。因此，在可攜式電子設備被旋轉180°之前和之後的磁傳感器的每一輸出之和是與地磁無關的，並對應於永磁體的磁場對磁傳感器的輸出的影響。通過使用這個和，能夠容易地並以高精確度估計永磁體的磁場的影響。通過以上述方式確定方位，能夠容易地並以高精確度測量該方位。


圖1是根據本實用新型的具有磁傳感器單元的手機的前視圖。
圖2是圖1所示手機的電子電路的結構的方框圖。
圖3是圖2所示的磁傳感器單元的平面視圖(元件布局圖)。
圖4是圖2所示的使用X軸磁傳感器檢測的外磁場H的X軸分量的輸出特性圖。
圖5是圖2所示的使用Y軸磁傳感器檢測的外磁場H的Y軸分量的輸出特性圖。
圖6是圖2所示的X軸磁傳感器的等效電路圖。
圖7是圖6所示的第一磁隧穿效應部件組的概略平面圖。
圖8是圖7所示的第一磁隧穿效應部件組的剖面視圖，其是沿著圖7所示線1-1方向的視圖。
圖9是圖7所示的第一磁隧穿效應部件組的概略平面圖的一部分。
圖10示出了與圖7所示的第一磁隧穿效應部件組的外磁場相關的電阻改變特性圖。
圖11是表示圖2所示的X軸磁傳感器和Y軸磁傳感器之間的位置關係以及它們的電連接圖。
圖12是圖2所示的溫度傳感器的等效電路。
圖13是圖2所示的X軸磁傳感器和Y軸磁傳感器相對於方位的輸出圖。
圖14至16是表示在圖1所示的手機中不同的永磁體的磁場的溫度特性圖。
圖17是表示圖2所示的X軸磁傳感器相對於地磁的輸出特性圖。
圖18是表示圖2所示的Y軸磁傳感器相對於地磁的輸出特性圖。
圖19是施加到圖2所示的磁傳感器單元的地磁和永磁體的漏磁場之間關係的矢量圖。
圖20至23是說明由圖2所示的CPU執行的例程的流程圖。
圖24是表示溫度傳感器的另一個例子的電路圖。
圖25是圖24所示電路的溫度特性圖。
具體實施方式
將通過以手機作為可攜式電子設備的例子，參照附圖說明根據本實用新型實施例的可攜式電子設備。如圖1所示的概略平面圖，手機10具有外殼11、天線單元12、揚聲器單元13、液晶顯示單元14、操作單元(操作信號輸入單元)15以及麥克風單元16。如圖1所示的平面圖，外殼11通常是具有沿垂直的X和Y軸延伸的邊沿的矩形形狀。天線單元12位於外殼11的右上方或左上方。揚聲器單元13位於外殼11的右上方。液晶顯示單元14位於外殼11的前面揚聲器單元13的下方。液晶顯示單元14用於顯示字符和圖形。操作單元15位於外殼11的前面液晶顯示單元14的下方。操作單元15用於輸入電話號碼和其它的命令信號。麥克風單元16位於外殼11的前面的最下方。天線單元12、揚聲器單元13、液晶顯示單元14、操作單元15以及麥克風單元16的全部或部分構成了包括永磁體的通信裝置。該通信裝置位於外殼11中。
圖2是手機10的電子電路的概略方框圖。手機10具有通過總線互連的CPU21、ROM22、RAM23和非易失RAM24。CPU21執行存儲在ROM22中的各種程序。RAM23臨時存儲CPU21執行程序所需的數據等。當手機10的主電源被接通時，響應於來自CPU21的指令，在非易失RAM24中寫入數據，並且即使在主電源斷開期間，該寫入的數據仍被存儲和保持。響應於主電源接通期間來自CPU21的請求，將所保存的數據提供給CPU21。非易失RAM24可以用EEPROM來代替。
天線單元12具有收發器天線12a、連接到天線12a的收發器電路12b、連接到收發器電路12b的數據機電路12c。數據機電路12c解調由收發器電路12b接收的信號，並調製將發送的信號，並將其提供給收發器電路12b。揚聲器單元13具有包括永磁體的揚聲器13a以及連接到揚聲器13a的聲音發生器電路13b，用於生成提供給揚聲器13a的信號以再現所對應的聲音。液晶顯示單元4具有液晶顯示板14a和連接到液晶顯示板14a的顯示電路14b。液晶顯示板14a位於手機10的外殼11的前面。顯示電路14b生成提供給液晶顯示板14a的信號以顯示所對應的數據。操作單元15具有多個按壓式按紐15a以及連接到按壓式按紐15a的檢測器電路15b，用於檢測每一個按壓式按紐15a的接通/斷開狀態。麥克風單元16具有麥克風16a以及連接到麥克風16a的放大器電路16b，用於放大從麥克風16a輸入的聲音信號。在這些單元中，數據機電路12c、聲音發生器電路13b、顯示電路14b、檢測器電路15b和放大器電路16b是通過總線連接到CPU21，並受CPU21控制的。
手機10還具有磁傳感器單元30，用於輸出對應於外磁場的方向和幅度的信號。磁傳感器單元30具有X軸磁傳感器31、Y軸磁傳感器32、溫度傳感器33和控制電路(數位訊號處理器)34。如圖3所示的磁傳感器單元30的概略平面圖，這些X軸磁傳感器31、Y軸磁傳感器32、溫度傳感器33和控制單元34，以及多個焊盤35一般形成在正方形的單片上。磁傳感器單元30放在手機10中，一般與液晶顯示板14a的面(外殼的前邊)平行，如圖1的虛線所示。
再來參照圖2，控制電路34具有A/D轉換器(ADC)34a以及直流恆壓電路34b。控制電路34具有處理從X軸磁傳感器31、Y磁傳感器32以及溫度傳感器33輸出的信號，並輸出數位訊號的功能。A/D轉換器34a通過總線連接到CPU21。A/D轉換器34a對從連接到A/D轉換器34a的X軸磁傳感器31、Y磁傳感器32以及溫度傳感器33輸出的信號進行A/D轉換，並將A/D轉換的數字數據提供給CPU21。直流恆壓電路34b將恆定電壓提供給連接到A/D轉換器34a的X軸磁傳感器31、Y磁傳感器32以及溫度傳感器33。
圖4是表示X軸磁傳感器檢測的輸出Sx與外磁場H的X軸分量之間的關係圖。圖5是Y軸磁傳感器檢測的輸出Sy與外磁場H的Y軸分量之間的關係圖。處於安裝在手機10上狀態的X軸磁傳感器31輸入與外磁場的X軸分量成比例的信號值。同樣，處於安裝在手機10上狀態的Y軸磁傳感器32輸入與外磁場的Y軸分量成比例的信號值。X軸磁傳感器31和Y軸磁傳感器32具有相同的結構，即輸出與沿每一個預定方向的磁場幅度成比例的信號值，並以預定方向(磁場檢測方向)是垂直的方式，位於磁傳感器單元30的單片上。磁傳感器單元30以這樣的一種方式位於手機10上，即使X軸磁傳感器31和Y軸磁傳感器32輸出與沿手機10的外殼11的X和Y軸平行的方向的磁場幅度成比例的信號值。
圖6是X軸磁傳感器31的等效電路。將詳細描述X軸磁傳感器31的結構。Y軸磁傳感器32的結構與X軸磁傳感器31的相似。X軸磁傳感器31具有以全橋電路形式連接的第一至第四磁隧穿效應部件組31a、31b、31c和31d。
第一至第四磁隧穿效應部件組31a、31b、31c和31d的每一個具有相同的結構。作為這些部件的代表例子，將描述第一磁隧穿效應部件組31a的結構。
圖7是第一磁隧穿效應部件組31a的放大的平面圖。第一磁隧穿效應部件組31a是由多個(在該例中為20個部件)串聯連接的磁隧穿效應部件構成的。
圖8是沿圖7所示的線1-1方向的第一磁隧穿效應部件組31a的部分剖面視圖。磁隧穿效應部件組具有在基板上形成的矩形形狀的多個下部電極31a1。下部電極31a1橫向分布(沿X軸方向)在預定間隔的行中。下部電極31a1是由導電非磁性金屬材料Cr(或Ta、Ti)製成的，並具有大約30nm的膜厚。在每一個下部電極31a1上，堆放了具有與下部電極31a1相同平面形狀的抗強磁性膜31a2。抗強磁性膜31a2由PtMn製成，並具有大約30nm的膜厚。
在每一個抗強磁性膜31a2上，堆放了一對由NiFe製成的、具有大約10nm膜厚的強磁性膜31a3，在強磁性膜31a3之間具有一定的間隙。從平面視圖看，強磁性膜31a3具有矩形形狀，並且它們的較長的邊是平行放置的。
圖9是圖7所示的第一磁隧穿效應部件組31a的平面圖的部分。強磁性膜31a3構成一個固著層(pinned layer)，其磁化方向被抗強磁性膜31a2固定在沿箭頭方向(正X軸方向，即短邊方向)。
再參照圖8，在每一個強磁性膜31a3上，堆放了具有與強磁性膜31a3相同平面形狀的絕緣層31a4。絕緣層31a4是由Al2O3(Al-O)之類的絕緣材料製成的，並具有1nm的膜厚。
在絕緣層31a4上，堆放了具有與絕緣層31a4相同平面形狀的強磁性膜31a5。強磁性膜31a5由NiFe製成，並具有大約40nm的膜厚。該強磁性膜31a5構成自由層(自由磁化層)，其磁化方向改變以近似地與外磁場的方向一致。強磁性膜31a5、絕緣膜31a4和強磁性膜31a3或固著層構成磁隧穿結結構。一個磁隧穿效應部件(除電極外)是由抗強磁性膜31a2、強磁性膜31a3、絕緣層31a4和強磁性膜31a5構成。
在每一個強磁性膜31a5上，堆放了具有與強磁性膜31a5相同平面形狀的虛膜(dummy film)31a6。虛膜31a6由Ta之類的導電非磁性金屬材料製成，並具有大約40nm的膜厚。
覆蓋在基板30a、下部電極31a1、抗強磁性膜31a2、強磁性膜31a3、絕緣層31a4、強磁性膜31a5和虛膜31a6上，形成中間層絕緣層31a7。中間層絕緣層31a7與多個下部電極31a1以及抗強磁性膜31a2電絕緣，並還與分別形成在抗強磁性膜31a2上的一對強磁性膜31a3、絕緣層31a4、強磁性膜31a5和虛膜31a6電絕緣。中間層絕緣層31a7由SiO2製成，並具有大約250nm的膜厚。
通過中間層絕緣層31a7形成到達虛膜31a6的接觸孔CH。在該中間層絕緣層31a7上，通過覆蓋接觸孔CH並電連接到形成在不同的下部電極31a1和抗強磁性膜31a2之上的虛膜31a6之一，形成上部電極31a8。例如，上部電極31a8由Al製成，並具有300nm的膜厚。因此通過下部電極31a1和抗強磁性膜31a2和上部電極31a8，相鄰的強磁性膜31a5(和虛膜31a6)和抗強磁性膜31a2對交替地、順序地電連接。在這種方式中，可以形成具有20個串聯連接的磁隧穿結結構的磁隧穿部件組31a，該磁隧穿結結構具有相同磁化方向的固著層。儘管未示出，還形成了覆蓋在上部電極31a8上的SiO和SiN之類的鈍化膜。
圖10是表示如上所述形成的第一磁隧穿效應部件部31a的電阻R1和外磁場H之間的關係圖。在外磁場H的絕對值較小的範圍(即在磁場飽和範圍-Hc至+Hc內)內，電阻R1與外磁場成比例地改變。外磁場隨著固著層的磁化方向改變其幅度。即，電阻R1由下式(1)給出R1＝-(ΔR/Hc)·H+R0(1)如圖6所示，X軸磁傳感器31具有四組磁隧穿效應部件。磁隧穿效應部件組31a至31d的固著層的磁化方向在圖6中用箭頭示出。第一和第四磁隧穿效應部件組31a和31d的固著層的磁化方向是正X軸方向，而第二和第三磁隧穿效應部件組31b和31c的固著層的磁化方向是負X軸方向。第一和第四磁隧穿效應部件組31a和31d的電阻R1根據式(1)變化，而第二和第三磁隧穿效應部件組31b和31c的電阻R2根據下面的式(2)變化R2＝(ΔR/Hc)·H+R0 (2)
在X軸磁傳感器31中，第一磁隧穿效應部件組31a連接到第二磁隧穿效應部件組31b的一端，並且第一和第二磁隧穿效應部件組31a和31b的另一端分別連接到直流恆壓電路34b的正和負電極。同樣第三磁隧穿效應部件組31c連接到第四磁隧穿效應部件組31d的一端，並且第三和第四磁隧穿效應部件組31c和31d的另一端分別連接到直流恆壓電路34b的正和負電極。在第一和第二磁隧穿效應部件組31a和31b的連接點上的電位與第三和第四磁隧穿效應部件組31c和31d的連接點上的電位之間的電位差被拾取，並被提供到A/D轉換器34a，作為X軸磁傳感器31的輸出Vout。
如上述所述構造的X軸磁傳感器31檢測X軸方向中外磁場H的X軸分量Hx，並輸出由下面的式(3)給出的信號Vout(＝Sx)Sx＝Vin·(ΔR/R0)·(Hx/Hc) (3)其中Vin是直流恆壓電路34b的電壓。
如圖11所示，具有和X軸磁傳感器31相同結構的Y軸磁傳感器32放置在與X軸傳感器31垂直的位置。Y軸磁傳感器32檢測Y軸方向中外磁場H的X軸分量Hy，並輸出由下面的式(4)給出的信號Vout(＝Sy)Sy＝Vin·(ΔR/R0)·(Hy/Hc) (4)溫度傳感器33由帶隙參考電路(band gap reference circuit)組成。該電路是如圖12所示的一個例子的眾所周知的偏置電路。正如已知的，該電路由不受溫度影響的電流源I、四個電晶體Q1至Q4以及三個電阻R10至R30構成。現在描述這些元件的連接。電流源I連接在電壓源Vcc和電晶體Q1的集電極之間。電晶體Q1的發射極接地，並且其基極連接到電阻R10的一端與電晶體Q2的集電極之間的連接點上。電晶體Q2的發射極通過電阻R20接地，其基極連接到與連接成二極體的電晶體Q3的基極和集電極。電晶體Q3的發射極接地，並且其集電極和基極通過電阻R30連接到電阻R10的另一端和電晶體Q4的發射極。電晶體Q4的基極連接到電晶體Q1的集電極，並且其集電極連接到電壓源Vcc。電壓源Vcc是控制電路34中提供的。
在圖12所示的該電路中，將電晶體Q3與電晶體Q2的發射極面積比率設置成比「1」大的預定值N。帶隙參考電路的輸出電壓Vbg由下面的式(5)給出Vbg＝VBEQ3+VT·In(N)·R100/R200(5)其中VBEQ3是電晶體Q3的基-射極電壓，VT是熱電壓，R100是電阻R10的電阻值，R200是電阻R20的電阻值。
在式(5)中，已知VBEQ3具有負溫度係數(-2mV/K)，並且VT具有正溫度係數(0.085mV/K)。顯然，從式(5)中通過適當選擇電阻值R100和R200，可以消除輸出信號Vbg中的溫度影響。因此在該實施例中，選擇電阻值R100和R200使得能夠消除輸出信號Vbg的溫度相關性。溫度傳感器33將電阻R30兩端的電壓(Vbg-VBEQ3)提供給A/D轉換器34a。
接著，在假設施加到磁傳感器30上的外磁場H僅是地磁的情況下，通過如上所述構成的手機10，來描述方位測量方法。手機10的方位定義為在手機10的外殼11的前面是通常的水平放置，並且該前面朝上的條件下，從末端部分(例如麥克風單元16)指向手機10的最接近部分(例如揚聲器單元13)的矢量的方位，即沿正Y軸方向指向的矢量。在本說明書中，如圖13所示，在參考方位a是0°(西)，並以從北、東到南的順序旋轉方位a所得到的90°、180°和270°的假設上定義方位的。
圖13是在手機10的方位a與X軸和Y軸磁傳感器31和32是輸出信號Sx與Sy之間的關係圖。
地磁是從南極指向北極的磁場。如果手機10的外殼11的前面是通常的水平放置，並且前面朝上，則磁傳感器單元30的X軸和Y軸磁傳感器31和32的輸出信號相對於手機10的方位餘弦地和正弦地變化，如圖13所示，圖13中所示的傳感器輸出信號Sx和Sy的值是標準化(normalize)的值。更具體地，X軸磁傳感器31的實際輸出信號Sx被輸出信號Sx的最大值和最小值之間差值的一半分割，該輸出信號是在手機10的外殼11的前面是通常的水平放置以及前面朝上的條件下，在該手機10的360°旋轉過程中獲得的。被差值的一半分割的實際輸出信號Sx被用做輸出信號值Sx的標準化值。同樣，Y軸磁傳感器32的實際輸出信號Sy被輸出信號Sy的最大值和最小值之間差值的一半分割，該輸出信號是在手機10的外殼11的前面是通常的水平放置以及前面朝上的條件下，在該手機10的360°旋轉過程中獲得的。被差值的一半分割的實際輸出信號Sy被用做輸出信號值Sy的標準化值。
從圖13所示的圖中看出，通過考慮下面(1)至(4)的四種情況，能夠獲得手機10的方位a(1)如果Sx＞0，並且|Sx|＞|Sy|，則a＝tan-1(Sy/Sx)(2)如果Sx＜0，並且|Sx|＞|Sy|，則a＝180°+tan-1(Sy/Sx)
(3)如果Sy＞0，並且|Sx|＜|Sy|，則a＝90°-tan-1(Sx/Sy)(4)如果Sy＜0，並且|Sx|＜|Sy|，則a＝270°-tan-1(Sx/Sy)如果在(1)至(4)的四種情況的任一中情況中獲得的方位是負的，則將360°加到方位a上以將該結果用做方位a。如果所獲得的方位是360°或大於360°，則從方位a中減去360°以將該結果用做方位a。
手機10具有揚聲器13a等的多個永磁體。永磁體產生漏磁場。圖14至16是表示手機10中的永磁體的漏磁場的溫度特性。漏磁場的強度變化取決於在測量時刻的溫度上永磁體的場強以及永磁體與測量點之間的距離。圖14-16示出了在永磁體與測量點之間的距離是常數的條件下，不同永磁體的漏磁場的隨溫度變化的特性。在這些圖中，橫坐標表示溫度，縱坐標表示漏磁場的場強。假設磁體與測量點之間的距離是常數，則漏磁場的強度相對於溫度具有負係數關係。因此，具有與這些永磁體的溫度近似成比例的幅度和近似相同方向的這些永磁體的漏磁場(不是地磁的外磁場)被施加到與手機10成預定位置放置的磁傳感器單元30上。
如圖17所示，X軸磁傳感器的輸出被移動(平行移動)一對應於漏磁場的偏置量OFx。同樣，如圖18所示，Y軸磁傳感器的輸出被移動一對應於漏磁場的偏置量OFy。如上所述，由於漏磁場近似地與永磁體溫度成比例地變化，所以偏置量OFx和OFy也近似地與永磁體的溫度成比例地變化。這些偏置量OFx和OFy可以認為是在磁傳感器單元30的輸出時的由永磁體產生的影響量。
圖19是表示通過使用磁傳感器單元30作為參考的、施加到磁傳感器單元30的來自永磁體的漏磁場和地磁的矢量圖。
首先，在該圖中示出了在手機10的前面朝上，並且該手機10的方向被設置成預定(所需的)的方位的狀態中，施加到磁傳感器單元30的地磁TH0和來自永磁體的漏磁場LH。接著示出當手機10的方向被旋轉180°時，施加到磁傳感器單元30的地磁TH180和來自永磁體的漏磁場LH。從圖19中看出，來自具有相同方向和幅度的永磁體的漏磁場LH總是施加到磁傳感器單元30，而與手機10的方向無關。相反，當手機10旋轉180°時，具有相同幅度和相反方向的地磁施加到磁傳感器單元30。X軸磁傳感器31的偏置量OFx可以通過下面的式(6)給出OFx＝(S1x+S2x)/2 (6)
其中S1x是當手機10的方向被設置成可選的方位θ時的X軸磁傳感器31的輸出，並且S2x是當手機10的方向被旋轉180°(即，方位θ+180°)時的X軸磁傳感器31的輸出。
同樣，Y軸磁傳感器32的偏置量OFy可以通過下面的式(7)給出OFy＝(S1y+S2y)/2 (7)其中S1y是當手機10的方向被設置成可選的方位θ時的Y軸磁傳感器32的輸出，並且S2y是當手機10的方向被旋轉180°(即，方位θ+180°)時的Y軸磁傳感器32的輸出。
這些偏置量OFx和OFy與永磁體的溫度成比例。在溫度T的X軸磁傳感器31的偏置量OFx由下面的式(8)給出OFx＝(OF2x-OF1x)·(T-T1)/(T2-T1)+OF1x(8)其中OF1x是溫度T1的X軸磁傳感器31的偏置量，OF2x是不同於溫度T1的溫度T2的X軸磁傳感器31的偏置量。
同樣，在溫度T的Y軸磁傳感器32的偏置量OFy由下面的式(9)給出OFy＝(OF2y-OF1y)·(T-T1)/(T2-T1)+OF1y(9)其中OF1y是溫度T1的Y軸磁傳感器31的偏置量，OF2y是溫度T2的Y軸磁傳感器31的偏置量。
在該實施例中，在計算偏置量OFx和OFy之後，偏置量OFx和OFy被從實際傳感器輸出Sx和Sy中減去以獲得校正的傳感器輸出Sx和Sy。方位a是根據校正的傳感器輸出Sx和Sy和在(1)至(4)的四種情況中列出的方位計算方法的每一種方法而確定的。在這種方式中，能夠以高精確度確定方位a而不受永磁體的漏磁場的影響。如上已經通過手機10描述了方位確定方法的原理。
接著將參照圖23至23描述根據上述原理的通過手機10的CPU21執行的方位確定方法的操作。圖20至23是說明每當經過預定時間時，由CPU21執行的程序的流程圖。
如圖20所示，在步驟1700，當購買手機10的用戶第一次使用該電話，並接通電源時，CPU21在預定的時刻開始初始化提示顯示例程(完成初始提示裝置的功能)。接著在步驟1705，檢查第一初始標誌F1是否為「0」。在手機10生產之後立即執行的初始例程將第一初始標誌F1的值設置成「0」。因此，在步驟1705，CPU21判斷為「是」，並前進到步驟1710，在液晶顯示板14a上顯示用於提示手機10的用戶執行初始操作的消息(初始提示消息)。此後，在步驟1795終止該例程。初始提示消息包括提示用戶按壓在多個按壓式按紐15a中特定的偏置數據獲得按紐以改變該按紐的狀態為「on」狀態的消息。
如圖21所示，在步驟1800，CPU21在預定時刻開始偏置數據獲得例程。接著，在步驟1805，檢查偏置數據獲得按紐的狀態是否從「off」狀態變成「on」狀態。如果沒有，即在步驟1805的判斷是「否」，則前進到步驟1895，並重複上述處理。
當用戶響應在液晶顯示板14a上顯示的初始提示消息，並且偏置數據獲得按紐的狀態從「off」狀態變成「on」狀態時，即在步驟1805CPU21的判斷是「是」，則前進到步驟1810。在步驟1810，在液晶顯示板14a上顯示「第一操作方法」的解釋。第一操作方法的解釋包括一消息，提示用戶通過將外殼11的前面反轉朝上將手機10放置在桌子上(即，通過設置前面近似水平)，並按壓在多個按壓式按紐15a中特定的偏置按紐，由此改變該按紐的狀態為「on」狀態。接著，在步驟1815，CPU21監視該偏置按紐的狀態是否從「off」狀態變成「on」狀態。
當用戶響應第一操作方法的解釋，並將按紐的狀態從「off」狀態變成「on」狀態時，即CPU21在步驟1815的判斷是「是」，則前進到步驟1820。在步驟1820，檢測X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值是否大於可測量的最大值Smax或Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值是否大於可測量的最大值Smax。如果X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值大於可測量的最大值Smax或如果Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值大於可測量的最大值Smax，則CPU21在步驟1820的判斷是「是」，並前進到步驟1825。在步驟1825，在液晶顯示板14a上顯示初始失敗的結果報警消息，然後前進到步驟1895終止該例程。
如果在步驟1820，X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值等於或小於可測量的最大值Smax或如果Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值等於或小於可測量的最大值Smax，則CPU21在步驟1820的判斷是「否」，並前進到步驟1830。在步驟1830，將X軸磁傳感器31的輸出Sx存儲為第一X軸傳感器輸出S1x，並將Y軸磁傳感器32的輸出Sy存儲為第一Y軸傳感器輸出S1y。
在步驟1835，CPU21在液晶顯示板14a上顯示「第二操作方法」的解釋。第二操作方法的解釋包括一消息，提示用戶在手機10於桌子上旋轉180°，並且其上面朝上之後，再次按壓偏置按紐，並改變該按紐的狀態為「on」。在步驟1840，CPU21再次監視該偏置按紐的狀態是否從「off」狀態變成「on」狀態。
當用戶響應第二操作方法的解釋，並在手機10旋轉180°之後，將偏置按紐的狀態從「off」狀態變成「on」狀態時，即CPU21在步驟1840的判斷是「是」，則前進到步驟1845。在步驟1845，檢測X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值是否大於可測量的最大值Smax或Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值是否大於可測量的最大值Smax。如果X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值大於可測量的最大值Smax或如果Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值大於可測量的最大值Smax，則CPU21在步驟1845的判斷是「是」，並前進到步驟1825。在步驟1825，顯示初始失敗的結果報警消息，然後前進到步驟1895終止該例程。
如果在步驟1845，X軸磁傳感器31的輸出Sx的絕對值等於或小於可測量的最大值Smax或如果Y軸磁傳感器32的輸出Sy的絕對值等於或小於可測量的最大值Smax，則CPU21在步驟1845的判斷是「否」，並前進到步驟1850。在步驟1850，將X軸磁傳感器31的輸出Sx存儲為第二X軸傳感器輸出S2x，並將Y軸磁傳感器32的輸出Sy存儲為第二Y軸傳感器輸出S2y。
接著，在步驟1855，CPU21檢查第一初始標記F1的值是否為「0」。在這種情況下，由於第一初始標記F1的值保持為「0」，則CPU21在步驟1855的判斷是「是」，並前進到步驟1860。在步驟1860，計算X軸磁傳感器31的第一X軸偏置量OF1x以及Y軸磁傳感器32的第一Y軸偏置量OF1y。更具體地，第一X軸傳感器輸出S1x和第二X軸傳感器輸出S2x的和被2除(即，計算平均值)，並將所獲得的值用做第一X軸偏置量OF1x。第一Y軸傳感器輸出S1y和第二Y軸傳感器輸出S2y的和被2除，並將所獲得的值用做第一Y軸偏置量OF1y。第一X軸偏置量OF1x和第一Y軸偏置量OF1y存儲在非易失RAM24中。
在步驟1865，CPU21讀取溫度傳感器33的溫度Temp，並將其存儲在非易失RAM24中作為第一溫度T1。在步驟1870，第一初始標記F1的值被設置成「1」，前進到步驟1895，在此終止該例程。
在這種狀態中，由於CPU21在圖20所示的步驟1700中開始初始提示顯示例程，並前進到步驟1705，因為第一初始標記F1的值被設置成「1」，則CPU21判斷為「否」以前進到步驟1715，在步驟1715，CPU21檢查第二初始標記F2的值是否是「0」。通過上述的初始例程也將第二初始標記F2的值設置為「0」。因此，CPU21在步驟1715的判斷是「是」以前進到步驟1720，在步驟1720，讀取溫度傳感器33的溫度Temp，並存儲為當前溫度Tc。在步驟1725，其檢查第一溫度T1和當前溫度Tc之間的差值的絕對值是否大於預定的溫度(閾值溫度)Tth。閾值溫度Tth是測量溫度和在具有一定差異的兩個溫度上的地磁以保證使用溫度傳感器和磁傳感器測量溫度和地磁幅度的精確度所必需的。如果溫度差值太小，則難於獲得正確的溫度係數和作出適當的校正。但是，閾值溫度Tth(≥0℃)越小，則方位測量越精確。此外，在傳感器和外磁場歲溫度任意變化的情況下，閾值溫度最好是較小的。由於上述原因，閾值溫度最好是在5-25℃範圍內選擇。最好通過考慮上述條件來設置閾值溫度Tth，例如Tth取10℃。
由於當前時間是緊接著第一溫度T1之後獲得的，在第一溫度T1和當前溫度Tc之間的差值的絕對值比閾值溫度Tth小。因此，在步驟1725，CPU21的判斷是「否」，以前進到步驟1795，在此終止該例程。
重複上述處理，直到第一溫度T1和當前溫度Tc的差值的絕對值變得大於閾值溫度Tth為止。直到此時，將不再顯示初始提示消息。
如圖22所示，在步驟1900，CPU21在預定時刻開始偏置確定例程。在步驟1905，檢測第二初始標誌F2的值是否為「0」。在這種情況中，由於第二初始標記F2的值保持為「0」，則CPU21在步驟1905的判斷是「是」以前進到步驟1910。在步驟1910，已經計算的第一X軸偏置量OF1x和第一Y軸偏置量OF1Y被設置成X軸磁傳感器31的偏置量OFx和Y軸磁傳感器32的偏置量OFy。此後，在步驟1995終止該例程。
如圖23所示，在步驟2000中，CPU21開始方位計算例程(構成方位確定裝置)。在步驟2005，減去了X軸磁傳感器31的偏置量OFx的X軸磁傳感器31的輸出Sx被設置成X軸磁傳感器31的校正輸出Sx，並且減去了Y軸磁傳感器31的偏置量OFy的Y軸磁傳感器32的輸出Sy被設置成Y軸磁傳感器32的校正輸出Sy。在步驟2010，CPU21判斷採用(1)至(4)情況中的哪一種情況。根據判斷結果，流程前進到步驟2015至2030，通過使用每個步驟所示的公式計算方位a。接著，CPU21以下面的方式確定最終的方位。即，在步驟2035，如果所計算的方位a是負的，則在步驟2040，將與360°相加後的方位a用做最終的方位a，而在步驟2035和2045，如果所計算的方位a是等於或大於360°，則在步驟2050，將減去360°後的方位a用做最終的方位a。此後，在步驟2095終止該例程。
接著對下述情況給出描述，即手機10中的永磁體的溫度升高，並且第一溫度T1和當前溫度Tc之間的差值的絕對值變得大於閾值Tth(用做第二溫度T2)的情況。在這種情況中，在步驟1700，1705，1715和1720之後的步驟1725中，CPU21的判斷是「是」以前進到步驟1710，在步驟1710，在液晶板14a上再次顯示初始提示消息。
當用戶響應該消息，並按壓偏置數據獲得按紐以將狀態改變為「on」狀態時，CPU21在步驟1805的判斷是「是」以前進到步驟1810以及隨後的步驟，如圖21所示。在步驟1830，在手機10的方向是任意的方位θ的狀態中的X軸磁傳感器31的輸出Sx和Y軸磁傳感器32的輸出Sy被分別存儲為第一X軸傳感器輸出S1x和第一Y軸傳感器輸出S1y。在步驟1850，在手機10的方向是方位θ+180°的狀態中的X軸磁傳感器31的輸出Sx和Y軸磁傳感器32的輸出Sy被分別存儲為第二X軸傳感器輸出S2x和第二Y軸傳感器輸出S2y，然後前進到步驟1855。
由於在步驟1870，第一初始標記被設置成「1」，則在步驟1855，CPU21的判斷是「否」以前進到步驟1875。在步驟1875，計算X軸磁傳感器31的第二X軸偏置量OF2x和Y軸磁傳感器32的第二Y軸偏置量OF2y。具體地，第一X軸傳感器輸出S1x和第二X軸傳感器輸出S2x的平均值被用做第二X軸偏置量OF2x，第一Y軸傳感器輸出S1y和第二Y軸傳感器輸出S2y的平均值被用做第二Y軸偏置量OF2y。第二X軸偏置量OF2x和第二Y軸偏置量OF2y被存儲在非易失RAM24中。
接著，在步驟1880，CPU21讀取溫度傳感器33的溫度Temp，並將其存儲在非易失RAM24中作為第二溫度T2。在步驟1885，第二初始標記F2的值被設置成「1」，前進到步驟1895，在此終止該例程。
在這種狀態中，由於CPU21在圖20所示的步驟1700中開始初始提示顯示例程，而且第一和第二初始標記F1和F2均被設置成「1」，則在步驟1705和1715，CPU21判斷均為「否」以前進到步驟1795，在此終止該例程。此後將不再顯示初始提示消息。
在這種情況中，由於圖2所示的偏置確定例程開始，且第二初始標記F2的值被改變為「1」，則CPU21在步驟1905的判斷是「否」以前進到步驟1915，在步驟1915，讀取溫度傳感器33的溫度Temp，並將其存儲為當前溫度Tc。
接著，在步驟1920，CPU21根據上述式(8)，對第一溫度T1上的第一X軸偏置量OF1x和第二溫度T2上的第二X軸偏置量OFx2，相對於溫度執行線性內插，由此獲得當前溫度Tc上的X軸偏置量OFx。同樣，在步驟1925，CPU21根據上述式(9)，對第一溫度T1上的第一Y軸偏置量OF1y和第二溫度T2上的第二Y軸偏置量OFy2，相對於溫度執行線性內插，由此獲得當前溫度Tc上的Y軸偏置量OFy。在步驟1995終止該例程。在上述方式中，偏置值OFx和OFy表示從永磁體的溫度估計的、永磁體的磁場對磁傳感器輸出的影響。
在下面的處理中，如圖23所示，CPU21執行方位計算例程，以便在步驟2005，通過偏置量OFx校正X軸磁傳感器31的輸出Sx，和通過偏置量OFy校正Y軸磁傳感器32的輸出Sy。步驟2005構成校正裝置的一部分。在步驟2010和隨後的步驟中，根據X軸和Y軸磁傳感器31和32的輸出Sx和Sy，計算(測量和確定)方位a。
如上所述，在根據本實用新型實施例的手機10中，根據永磁體的溫度，將作為手機10的分量的永磁體的磁場對磁傳感器輸出的影響估計為偏置量OFx和OFy。通過使用所估計的偏置量OFx和OFy校正磁傳感器的輸出。從所校正的磁傳感器輸出中測量方位，以便能夠極大地改善方位測量的精確度。因為用戶被提示在合適的時刻執行初始操作(當獲得第一溫度T1和第二溫度T2時)，所以能夠防止用戶執行不必要的初始操作。第一溫度T1和第二溫度T2之間的差值比閾值溫度Tth大。因此，在每個溫度上獲得的偏置量中包含的估計誤差的影響是很難出現在通過偏置量的線性內插或外插等獲得的當前溫度Tc上的偏置量中。可以進一步改善方位的測量精確度。磁傳感器單元30具有形成在一個基板上的X軸和Y軸磁傳感器31和32、溫度傳感器33和控制電路34。因此，該磁傳感器單元30結構緊湊而成本低廉，適合於諸如手機之類的具有永磁體的可攜式電子設備。
本實用新型不限於上述實施例，在不背離本實用新型範圍的前提下，可以進行各種修改。例如，在上述實施例中，儘管X軸和Y軸磁傳感器31和32是磁隧穿效應部件組，能夠輸出對應於磁場的信號的其它的傳感器，諸如大磁阻效應部件，也可以使用。在本實施例中，偏置按紐和偏置數據獲得按紐用於初始操作。此外，可以通過在液晶顯示板14a中添加菜單，並由操作單元15的特定操作員來選擇每一菜單來實現與這些按紐功能相同的功能。除了X軸磁傳感器31和Y軸磁傳感器32之外，可以使用Z軸磁傳感器來檢測沿與X、Y軸垂直的Z軸方向的磁場。
作為溫度傳感器33的帶隙參考電路可以具有圖24所示的結構。由下面的式(10)給出電晶體Tr1和Tr2的基-射極電壓Vbe的差值ΔVbe，並使用Vbe和乘以了常數K1的VT，由下面的式(11)給出輸出Vbg。常數K1由下面的式(12)給出。
ΔVbe＝VT·ln{(Ic1/Ic2)·(A2/A1)} …(10)Vbe＝Vbe(Q1)+K1·VT…(11)K1＝(R3/R2)·1n{(Ic1/Ic2)·(A2/A1)} …(12)其中，VT＝KT/q，A1和A2是電晶體TR1和TR2的發射極面積，Vbe(Q1)是電晶體Tr1的基-射極電壓。
適當地選取常數K1，以消除Vbe的溫度相關性。電阻R3兩端的電壓被提供給A/D轉換器34a作為溫度傳感器33的輸出。
圖25是圖24所示的電路的溫度特性圖。從圖25可知，圖24所示的電路方案可以實現具有溫度特性2mV/℃的溫度傳感器33。
已經結合優選實施例描述了本實用新型。但本實用新型不限於上述實施例，對本領域技術人員來說，各種改變、改進和組合都是顯而易見的。
權利要求1.一種帶方位測量的可攜式電子設備，包括外殼；通信裝置，位於所述外殼中，並具有永磁體；以及方位測量裝置，位於所述外殼中，通過利用地磁來測量方位，其中所述方位測量裝置包括磁傳感器，輸出對應於外磁場的信號，其特徵是所述方位測量裝置還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器檢測溫度；校正器，根據溫度傳感器所檢測的溫度，估計通信裝置中永磁體的磁場對從所述磁傳感器輸出的信號的影響，並根據所述估計的影響校正從所述磁傳感器輸出的信號；以及方位確定裝置，根據校正器所校正的信號，確定方位。
2.如權利要求1所述的可攜式電子設備，其特徵是所述外殼具有第一平面，並且該可攜式電子設備還包括形成於第一平面之上的、用於輸入操作信號的輸入裝置。
3.如權利要求1所述的可攜式電子設備，其特徵是所述通信裝置包括揚聲器。
4.如權利要求1所述的可攜式電子設備，其特徵是所述通信裝置包括麥克風。
5.如權利要求1所述的可攜式電子設備，其特徵是所述校正器在第一溫度上測量包含在從所述磁傳感器輸出的信號中的、永磁體的磁場的影響，在不同於第一溫度的第二溫度上測量包含在從所述磁傳感器輸出的信號中的、永磁體的磁場的影響，並從第一溫度、第二溫度上的影響、以及使用所述溫度傳感器檢測的當前溫度中估計永磁體的磁場的影響。
6.如權利要求5所述的可攜式電子設備，其特徵是所述校正器包括初始提示裝置，用於當在第一溫度上測量影響之後，使用所述溫度傳感器檢測的溫度與第一溫度之間的差值變為預定溫度、或更高時，提示該可攜式電子設備的用戶執行獲得在第二溫度上的影響的操作。
7.如權利要求6所述的可攜式電子設備，其特徵是所述的預定溫度在5-25℃範圍內選擇。
8.如權利要求6所述的可攜式電子設備，其特徵是所述的初始提示裝置包括字符顯示裝置。
9.一種磁傳感器，包括基板；磁傳感器部件，形成於所述基板上，輸出對應於外磁場方向和幅度的信號，其特徵是所述磁傳感器還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器形成於所述基板上，感知溫度。
10.如權利要求9所述的磁傳感器，其特徵是磁傳感器包括多個磁傳感器部件；所述磁傳感器部件是磁阻響應部件，具有固定磁化方向的固著層和磁化方向隨外磁場變化的自由層，並且所述磁傳感器部件根據固著層的磁化方向與自由層的磁化方向之間的夾角來改變其磁阻值；以及在多個磁阻效應部件中至少兩個部件的固著層的磁化方向是交叉的。
11.如權利要求9所述的磁傳感器，其特徵是還包括形成於所述基板上的數位訊號處理電路。
12.如權利要求10所述的磁傳感器，其特徵是磁阻效應部件包括形成於所述基板上的下部電極；形成於下部電極上的抗強磁性膜；形成於抗強磁性膜上的第一強磁性膜；形成於第一強磁性膜上的絕緣膜；以及形成於絕緣膜上的第二強磁性膜。
13.如權利要求12所述的磁傳感器，其特徵是下部電極是由導電非磁性金屬材料製成的。
14.如權利要求12所述的磁傳感器，其特徵是抗強磁性膜是由PtMn製成的。
15.如權利要求12所述的磁傳感器，其特徵是絕緣膜是由Al2O3或AlO製成的。
16.如權利要求12所述的磁傳感器，其特徵是強磁性膜是由NiFe製成的。
17.如權利要求12所述的磁傳感器，其特徵是第一強磁性膜是固著層，第二強磁性膜是自由層。
專利摘要本實用新型涉及一種具有帶永磁和方位測量的通信設備的可攜式電子設備以及一種適於該設備的磁傳感器單元。手機具有CPU和包括X軸磁傳感器、Y軸磁傳感器和溫度傳感器的磁傳感器單元。CPU在第一和第二溫度上測量永磁體的磁場對X軸磁傳感器的輸出Sx和Y軸磁傳感器的輸出Sy的影響，並將該影響與第一和第二溫度數據一起存儲。根據溫度檢測器檢測的當前溫度以及所存儲的影響數據，CPU估計在當前溫度上對X軸磁傳感器的輸出Sx和Y軸磁傳感器的輸出Sy的影響。根據所估計的影響，CPU校正輸出Sx和Sy，並根據校正的輸出Sx和Sy，確定手機的方位。
文檔編號G01B7/30GK2679646SQ0224127
公開日2005年2月16日 申請日期2002年7月10日 優先權日2001年7月10日
發明者佐藤秀樹 申請人:山葉株式會社