發布日期：2022-10-09 點擊率：65
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文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）
我們偉大中華祖先的四大發明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現代傳感器技術來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。
而在當今的電子時代，磁傳感器在電機、電力電子技術、汽車工業、工業自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統等方面都有著廣泛的應用。
磁傳感器
磁傳感器是一種把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用于感測速度、運動和方向，應用領域包括汽車、無線和消費電子、軍事、能源、醫療和數據處理等。
磁傳感器市場按照技術進步的發展，主要分為四大類：
霍爾效應（Hall Effect）傳感器、
各向異性磁阻（AMR）傳感器、
巨磁阻（GMR）傳感器
隧道磁阻（TMR）傳感器
其中，霍爾效應傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應用。隨著持續的技術研發，各種磁傳感器誕生，并擁有更優異的性能、更高的可靠性。
霍爾效應（Hall Effect）傳感器
1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應。但因金屬的霍爾效應很弱而一直沒有實際應用案例，直到發現半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現象才制作了霍爾元件。
在半導體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產生電場，電場強度與洛倫茲力產生平衡之后，不再聚集，這個現象叫做霍爾效應。在垂直于電流和磁場的方向上，將產生的內建電勢差，稱為霍爾電壓U。
霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場B和電流I的關系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數，與半導體磁性材料有關。
霍爾效應示意圖
霍爾傳感器利用霍爾效應的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關和磁力計三種。
1. 線性型霍爾傳感器
由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。
線性型霍爾傳感器工作原理
霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測范圍，并能識別磁極。其應用領域有電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監控電量、光伏直流柜監測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等。 線性霍爾傳感器還可以用于測量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測、水流探測等。
2. 開關型霍爾傳感器
由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。
開關型霍爾傳感器工作原理
霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高，工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。開關型霍爾傳感經過一次磁場強度的變化，則完成了一次開關動作，輸出數字信號，可以計算汽車或機器轉速、ABS系統中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機車的自動門開關、無刷直流電動機、汽車點火系統、門禁和防盜報警器、自動販賣機、打印機等。
3. 磁力計
是利用霍爾效應產生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調節處理器等）相連。
但這樣設計的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行于管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實現了從單軸到三軸磁力計的跨越式發展。
圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖
圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖
磁力計廣泛應用于智能手機、平板電腦和導航設備等移動終端，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實現9軸組合傳感器，構成更強大的慣性導航產品。
各向異性磁阻（AMR）傳感器
某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發生變化，這種現象叫做磁阻效應，磁阻傳感器利用磁阻效應制成。
1857年，Thomson發現坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對于有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。
當外部磁場與磁體內建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發生改變的；但當外部磁場與磁體的內建磁場有一定角度的時候, 磁體內部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。
坡莫合金的AMR效應
磁阻變化值與角度變化的關系
薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應關系。從上圖中，我們可以看到，當電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區附近，這樣可以實現輸出的線性特性。
AMR磁傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。
AMR磁阻傳感器等效電路
各向異性磁阻（AMR）技術的優勢有以下幾點：
1. 各向異性磁阻（AMR）技術最優良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應用來說，具有廣大的運作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。
2.各向異性磁阻（AMR）技術是唯一被驗證，可以達到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導體工藝技術。其他可達到同樣精度技術都是無法與半導體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。
3.AMR技術只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設備，具有成本優勢。
4.AMR技術具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應用中尚無局限性。
AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉速傳感器，各種接近開關，隔離開關，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應用包括各種導航系統中的羅盤，計算機中的磁盤驅動器，各種磁卡機、旋轉位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。
巨磁阻（GMR）傳感器
與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因為GMR效應的發現比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。
1988年，德國科學家格林貝格爾發現了一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發現，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。
一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構成的多層膜，在室溫下可以達到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應的命名緣由。
GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖
“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機理不同。常規磁電阻源于磁場對電子運動的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強度和電流的相對取向有關。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強度和電流的相對取向基本無關。
巨磁阻效應僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應更重要的意義是為進一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學（Spintronics）以及新的傳感器技術奠定了基礎。
GMR效應的首次商業化應用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數據讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術。
GMR傳感器的材料結構
具有GMR效應的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結構在當前的GMR磁阻傳感器中應用比較廣泛。
自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結構。
自旋閥GMR磁阻傳感器基本結構
GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構成惠斯通電橋結構，該結構可以減少外界環境對傳感器輸出穩定性的影響，增加傳感器靈敏度。當相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個FM/NM界面呈現不同的阻態，一個界面為高阻態，一個界面為低阻態，自旋的傳導電子可以在晶體內自由移動，整體上器件呈現低阻態；而當相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態的傳導電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現高阻態。
平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖
GMR磁阻傳感器商業化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對復雜，生產成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優點，因此市場占有率呈穩定狀態。GMR磁阻傳感器在消費電子、工業、國防軍事及醫療生物方面均有所涉及。
隧道磁阻（TMR）傳感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應。但是，這一發現當時并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關TMR效應的研究進展十分緩慢。在GMR效應的深入研究下，同為磁電子學的TMR效應才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發現為TMR磁阻傳感器的發展契機。
2001年，Butler和Mathon各自做出理論預測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實驗證明了磁性隧道結（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應。2008年，日本東北大學的S. Ikeda, H. Ohno團隊實驗發現磁性隧道結CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應具有如此大的電阻率變化，因此業界越來越重視TMR效應的研究和商業產品開發。
TMR元件在近年才開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比之前所發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。
TMR磁阻傳感器的材料結構及原理
從經典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結構根本無法實現電子在磁層中的穿通，而量子力學卻可以完美解釋這一現象。當兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態；
當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，而少數自旋子帶的電子也進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態。
可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發生變化時，隧穿電阻發生變化，因此稱為隧道磁電阻效應。
TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型
TMR元件在近年才開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比之前所發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比，可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。
霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比
作為GMR元件的下一代技術，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用于硬盤磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領域有極大的發展與貢獻。
磁傳感器的發展,在本世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。
磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經濟、國防建設、科學技術、醫療衛生等領域都發揮著重要作用，成為現代傳感器產業的一個主要分支。在傳統產業應用和改造、資源探查及綜合利用、環境保護、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發揮著愈來愈重要的作用。
本篇文章為傳感器技術平臺原創文章，轉載需聯系我們授權！
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責任編輯：
電子羅盤是一種重要的導航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態。隨著半導體工藝的進步和手機操作系統的發展，集成了越來越多傳感器的智能手機變得功能強大，很多手機上都實現了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實現電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機械工藝的成熟，意法半導體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內設計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術參數和電子羅盤的實現方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當地的水平面垂直，在赤道磁場和當地的水平面平行，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當地水平面平行的分量和一個與當地水平面垂直的分量。如果保持電子羅盤和當地的水平面平行，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來，如圖2所示。
磁力計的基本工作原理
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數據就可以用式1計算出航向角。當羅盤水平旋轉的時候，航向角在0？- 360？之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發生變化。
在制造過程中，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45o角傾斜排列，電流從這些導線上流過，如圖4所示。由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
磁力計的基本工作原理
圖3 AMR材料示意圖
磁力計的基本工作原理
圖4 45o角排列的導線
當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關系，如圖6所示。
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
磁力計的基本工作原理
圖7 惠斯通電橋
當R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出？V正比于？R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復位（Set/Reset）電路
由于受到外界環境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內置有置位/復位電路，通過內部的金屬線圈周期性的產生電流脈沖，恢復初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復位脈沖產生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
磁力計的基本工作原理
圖8 LSM303DLH置位/復位電路
置位/復位電路給LSM303DLH帶來很多優點：
1） 即使遇到外界強磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復正常工作而不需要用戶再次進行校正。
2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向實現精確測量，不會因為芯片溫度變化或內部噪音增大而影響測量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內的磁場環境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達到8 mGauss并且內部采用12位ADC，以保證對磁場強度的精確測量。和采用霍爾效應原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當控制寄存器A被置位時，芯片內部的自測電路會產生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數據來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣采用12位ADC，可以達到1mg的測量精度。加速計可運行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統的電子羅盤系統至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數據，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數據采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數據傳送給處理器。處理器通過磁場數據計算出方位角，通過重力數據進行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態的影響，如圖9所示。
磁力計的基本工作原理
圖9 電子羅盤結構示意圖
LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現了6軸的數據檢測和輸出，降低了客戶的設計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
磁力計的基本工作原理
圖10 LSM303DLH典型應用電路圖
對于便攜式設備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進行控制，使其進入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調整磁力計和加速計的數據更新頻率，以調整功耗水平。在磁力計數據更新頻率為7.5Hz、加速計數據更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機模式時，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場干擾及校準
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機喇叭當相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機馬達在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點使得針對電子設備表面地球磁場的測量很容易受到電子設備本身的干擾。
磁場干擾是指由于具有磁性物質或者可以影響局部磁場強度的物質存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉動過程中在XY平面內的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標準的以O（0，0）為中心的圓。當存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：
磁力計的基本工作原理
磁力計的基本工作原理
圖11 磁傳感器XY坐標以及磁力線投影軌跡
一般可以認為，干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據安培定律有電流通過的導線也會產生磁場，如圖12。
磁力計的基本工作原理
圖12 電流對磁場產生的影響
為了校準這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計算將γ求出。
4.1 平面校準方法
針對XY軸的校準，將配備有磁傳感器的設備在XY平面內自轉，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點O（γx，γy）垂直于XY平面的法線旋轉，而紅色的圓為磁場矢量在旋轉過程中在XY平面內投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為（（Xmax + Xmin）/2， （Ymax + Ymin）/2）。 同樣將設備在XZ平面內旋轉可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ（γx， γy， γz）。
4.2 立體8字校準方法
一般情況下，當帶有傳感器的設備在空中各個方向旋轉時，測量值組成的空間幾何結構實際上是一個圓球，所有的采樣點都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點同兩維平面內投影得到的圓類似。
磁力計的基本工作原理
圖13 地球磁場空間旋轉后在傳感器空間坐標內得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點求出圓心O（γx， γy， γz）， 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：
磁力計的基本工作原理
8字校準法要求用戶使用需要校準的設備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
磁力計的基本工作原理
圖14 設備的空中8字校準示意圖
4.2 十面校準方法
同樣，通過以下10面校準方法，也可以達到校準的目的。
磁力計的基本工作原理
如圖16所示，經過10面校準方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。
磁力計的基本工作原理
5．傾斜補償及航偏角計算
經過校準后電子指南針在水平面上已經可以正常使用了。但是更多的時候手機并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進行傾斜補償。
對于一個物體在空中的姿態，導航系統里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch（Φ）定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll（θ）定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
磁力計的基本工作原理磁力計的基本工作原理
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機在空中的傾斜姿態如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計算出Pitch和Roll。
磁力計的基本工作原理
圖19 手機在空中的傾斜姿態
磁力計的基本工作原理
式3可以將磁力計測得的三軸數據（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計算出航向角。
本文為轉載，原文鏈接：
文章目錄
1. 地磁場和航向角的背景知識2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH2.1 磁力計工作原理2.2 置位/復位(Set/Reset)電路
3. ST電子羅盤方案介紹4. 鐵磁場干擾及校準4.1 平面校準方法4.2 立體8字校準方法
5．傾斜補償及航偏角計算6．Android平臺指南針的實現
電子羅盤是一種重要的導航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態。隨著半導體工藝的進步和手機操作系統的發展，集成了越來越多傳感器的智能手機變得功能強大，很多手機上都實現了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實現電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機械工藝的成熟，意法半導體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內設計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術參數和電子羅盤的實現方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當地的水平面垂直，在赤道磁場和當地的水平面平行，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當地水平面平行的分量和一個與當地水平面垂直的分量。如果保持電子羅盤和當地的水平面平行，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來，如圖2所示。
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數據就可以用式1計算出航向角。當羅盤水平旋轉的時候，航向角在0?- 360?之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發生變化。
在制造過程中，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45o角傾斜排列，電流從這些導線上流過，如圖4所示。由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45o的夾角。
圖3 AMR材料示意圖
圖4 45o角排列的導線
當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關系，如圖6所示。
圖5 磁場方向和電流方向的夾角
圖6 θ-R特性曲線
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
圖7 惠斯通電橋
當R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復位(Set/Reset)電路
由于受到外界環境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內置有置位/復位電路，通過內部的金屬線圈周期性的產生電流脈沖，恢復初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復位脈沖產生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
圖8 LSM303DLH置位/復位電路
置位/復位電路給LSM303DLH帶來很多優點：
1） 即使遇到外界強磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復正常工作而不需要用戶再次進行校正。
2） 即使長時間工作也能保持初始磁化方向實現精確測量，不會因為芯片溫度變化或內部噪音增大而影響測量精度。
3） 消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內的磁場環境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達到8 mGauss并且內部采用12位ADC，以保證對磁場強度的精確測量。和采用霍爾效應原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當控制寄存器A被置位時，芯片內部的自測電路會產生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數據來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣采用12位ADC，可以達到1mg的測量精度。加速計可運行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統的電子羅盤系統至少需要一個三軸的磁力計以測量磁場數據，一個三軸加速計以測量羅盤傾角，通過信號條理和數據采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數據傳送給處理器。處理器通過磁場數據計算出方位角，通過重力數據進行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態的影響，如圖9所示。
圖9 電子羅盤結構示意圖
LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現了6軸的數據檢測和輸出，降低了客戶的設計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
LSM303DLH的典型應用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡單，磁力計和加速計各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復位電路的外部匹配電容，由于對置位脈沖和復位脈沖有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。
圖10 LSM303DLH典型應用電路圖
對于便攜式設備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進行控制，使其進入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調整磁力計和加速計的數據更新頻率，以調整功耗水平。在磁力計數據更新頻率為7.5Hz、加速計數據更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機模式時，消耗電流小于3uA。
4. 鐵磁場干擾及校準
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機喇叭當相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機馬達在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點使得針對電子設備表面地球磁場的測量很容易受到電子設備本身的干擾。
磁場干擾是指由于具有磁性物質或者可以影響局部磁場強度的物質存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉動過程中在XY平面內的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標準的以O(0,0)為中心的圓。當存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強度矢量α將為該點地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：
圖11 磁傳感器XY坐標以及磁力線投影軌跡
一般可以認為，干擾磁場γ在該點可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據安培定律有電流通過的導線也會產生磁場，如圖12。
圖12 電流對磁場產生的影響
為了校準這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計算將γ求出。
4.1 平面校準方法
針對XY軸的校準，將配備有磁傳感器的設備在XY平面內自轉，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉， 而紅色的圓為磁場矢量在旋轉過程中在XY平面內投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同樣將設備在XZ平面內旋轉可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ(γx, γy, γz).
4.2 立體8字校準方法
一般情況下，當帶有傳感器的設備在空中各個方向旋轉時，測量值組成的空間幾何結構實際上是一個圓球，所有的采樣點都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點同兩維平面內投影得到的圓類似。
圖13 地球磁場空間旋轉后在傳感器空間坐標內得到球體
這種情況下，可以通過足夠的樣本點求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：
8字校準法要求用戶使用需要校準的設備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
圖14 設備的空中8字校準示意圖
4.2 十面校準方法
同樣，通過以下10面校準方法，也可以達到校準的目的。
圖15 10面交準法步驟
如圖16所示，經過10面校準方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。
圖16 10面校準后的空間軌跡
5．傾斜補償及航偏角計算
經過校準后電子指南針在水平面上已經可以正常使用了。但是更多的時候手機并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進行傾斜補償。
對于一個物體在空中的姿態，導航系統里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch角引起的航向角的誤差如圖18所示。可以看出，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
圖17 Pitch角和Roll角定義 圖18 Pitch角引起的航向角誤差
手機在空中的傾斜姿態如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計算出Pitch和Roll。
圖19 手機在空中的傾斜姿態
式3可以將磁力計測得的三軸數據（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計算出航向角。
6．Android平臺指南針的實現
在當前流行的android 手機中，很多都配備有指南針的功能。為了實現這一功能，只需要配備有ST提供的二合一傳感模塊LSM303DLH，ST 提供整套解決方案。Android中的軟件實現可以由以下框圖表示：
其中包括:
BSP Reference
Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)
HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so
經過library 的計算，上層的應用可以很輕松的運用由Android定義由Library提供的航偏角信息進行應用程序的編寫。
今天我們來自制一個磁力傳感器。
實驗用品： 塑料盒 導線 鐵絲 銅線 橡皮筋 燈泡
把銅漆包線中間的漆刮掉六厘米,沒有銅漆包線可用其它絕緣銅線代替,同樣要去掉中間的絕緣層.把刮掉絕緣層的銅線折成長一厘米的梳齒狀。在塑料盒的一邊兩角中間的位置鉆兩個孔。把折好的漆包線穿入鉆好的孔中使梳齒在中心位置，線的兩端在盒子上固定好。
把鐵絲折成8字形。用兩根橡皮筋分別穿進8字的兩端，把8字兩端的口封好。把橡皮筋穿進塑料盒兩端第一個縫隙中，使8字形鐵絲與梳齒狀銅線對應，固定好橡皮筋，把軟的銅線接到8字形的鐵絲上，固定好軟銅線。
用磁鐵在盒外靠近8字鐵絲，鐵絲在磁鐵的吸引下與梳齒狀銅線接觸。磁鐵離開，鐵絲與銅線分開，磁鐵再靠近它們又接觸，磁鐵離開它們又分開。
鐵絲就是傳感器的動觸點，梳齒狀銅線就是傳感器的靜觸點。
把盒外銅漆包線線頭上的漆刮掉，接上一段軟銅線 。磁力接近傳感器就制作成功了。
把傳感器的動觸點端接在蓄電池的正極，靜觸點端與蓄電池負極間接上小燈泡。把磁鐵在盒外接近觸點，動觸點在磁鐵吸引下與靜觸點接觸。小燈炮發光。磁鐵離開，動靜觸點分離，小燈炮熄滅。
把磁鐵反復接近離開觸點，小燈炮反復發光熄滅。
這個傳感器就相當于一個磁鐵啟動的開關，我們也可稱它為磁力開關。
把小燈泡換成個大一點的燈泡。當磁鐵接近觸點，燈泡發關。磁鐵遠離，燈炮熄滅。反復到第三次時動觸點不能分離，燈炮不熄滅。
這個磁力傳感器在小電流時能正常工作，電流大一點就不能正常工作。
所有的傳感器都是在小電流下工作的，要用傳感器控制大電流的電器就要用到繼電器。
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