ST集成傳感器方案實(shí)現電子羅盤(pán)功能

電子羅盤(pán)是一種重要的導航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著(zhù)半導體工藝的進(jìn)步和手機操作系統的發(fā)展，集成了越來(lái)越多傳感器的智能手機變得功能強大，很多手機上都實(shí)現了電子羅盤(pán)的功能。而基于電子羅盤(pán)的應用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺上也流行起來(lái)。

要實(shí)現電子羅盤(pán)功能，需要一個(gè)檢測磁場(chǎng)的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著(zhù)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(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶(hù)在短時(shí)間內設計出成本低、性能高的電子羅盤(pán)。本文以L(fǎng)SM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數和電子羅盤(pán)的實(shí)現方法。

1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識

如圖1所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場(chǎng)和當地的水平面垂直，在赤道磁場(chǎng)和當地的水平面平行，所以在北半球磁場(chǎng)方向傾斜指向地面。用來(lái)衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著(zhù)地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)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(chǎng)分布圖

地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對于一個(gè)固定的地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當地水平面平行的分量和一個(gè)與當地水平面垂直的分量。如果保持電子羅盤(pán)和當地的水平面平行，那么羅盤(pán)中磁力計的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對應起來(lái)，如圖2所示。

圖2 地磁場(chǎng)矢量分解示意圖

實(shí)際上對水平方向的兩個(gè)分量來(lái)說(shuō)，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤(pán)中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤(pán)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(pán)水平旋轉的時(shí)候，航向角在0º- 360º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(lái)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(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強弱變化會(huì )導致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

在制造過(guò)程中，將一個(gè)強磁場(chǎng)加在A(yíng)MR上使其在某一方向上磁化，建立起一個(gè)主磁域，與主磁域垂直的軸被稱(chēng)為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線(xiàn)性的方式變化，AMR材料上的金屬導線(xiàn)呈45º角傾斜排列，電流從這些導線(xiàn)上流過(guò)，如圖4所示。由初始的強磁場(chǎng)在A(yíng)MR材料上建立起來(lái)的主磁域和電流的方向有45º的夾角。

當有外界磁場(chǎng)Ha時(shí)，AMR上主磁域方向就會(huì )發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角θ也會(huì )發(fā)生變化，如圖5所示。對于A(yíng)MR材料來(lái)說(shuō)，θ角的變化會(huì )引起AMR自身阻值的變化，并且呈線(xiàn)性關(guān)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(tài)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(chǎng)的時(shí)候，R1/R2阻值增加R而R3/R4減少R。這樣在沒(méi)有外界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓V。