ST集成傳感器方案實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能

電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來。

要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個(gè)檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。

1. 地磁場和航向角的背景知識(shí)

如圖1所示，地球的磁場象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和?dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強(qiáng)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(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如圖2所示。

圖2 地磁場矢量分解示意圖

實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)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(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0º- 360º之間變化。

2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH
2.1 磁力計(jì)工作原理

在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

在制造過程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場加在AMR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為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45º角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)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。

當(dāng)有外界磁場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，那么磁場方向和電流的夾角θ也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對(duì)于AMR材料來說，θ角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(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(dāng)檢測到外界磁場的時(shí)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(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓V。