[实用新型]一种三轴数字指南针

说明书

技术领域

本实用新型涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种三轴数字指南针。

背景技术

在消费电子领域，例如智能手机、平板电脑等便携式电子设备中，需要用到三轴指南针，和惯性器件如三轴陀螺仪、三轴加速度计等一起使用，形成完备的九轴电子惯性导航设备。三轴指南针可以同时表征三维地磁场分量，对于磁敏传感器如AMR，GMR和TMR等磁阻传感器，由于磁场敏感方向在薄膜平面内，可以通过将两个传感器正交来实现平面内磁场X,Y分量的测量，从而实现XY二轴磁场测试系统，但对于Z磁场分量，其中一种解决方案是将一个分立单轴平面磁敏传感器竖立安装在二轴平面传感器上。但这种方式存在以下不足之处：

1）X、Y二轴磁敏传感器和Z单轴磁敏传感器在安装之前为各自为分立元件，无法实现三轴磁敏传感器的集成制造，从而增加了制造工艺的复杂程度；

2）相对于集成制造系统，采用组装方法制造的三轴磁敏传感器系统内各元件的位置精度降低，影响传感器的测量精度。

3）由于Z单轴磁敏传感器敏感轴垂直于X，Y二轴磁敏传感器，因此三轴磁敏传感器Z向尺寸增加，从而增加了器件尺寸和封装难度。

发明内容

为了解决以上问题，本实用新型提出了一种三轴数字指南针,该指南针上的元件可在一个芯片上制备，其利用通量集中器对磁场的扭曲作用，将垂直于平面的Z轴磁场分量转变成XY平面内磁场分量，从而可以被平面内X、Y二轴磁敏传感器检测到，其结果为X、Y二轴磁敏传感器可以同时检测到X、Y、Z磁场分量，然后通过采用一定的算法将X、Y、Z轴磁场分量从混合信号中分离出来，并将其转变成数字信号输出。

本实用新型提供了一种三轴数字指南针，它包括

通量集中器，其用于对外磁场产生扭曲以使在Z轴的分量转变为X轴和Y轴的磁场分量；

两个X轴磁敏传感器，所述的X轴磁敏传感器分别位于所述的通量集中器沿X轴方向的两侧边缘，每个X轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于X轴；

两个Y轴磁敏传感器，所述的Y轴磁敏传感器分别位于所述的通量集中器沿Y轴方向的两侧边缘，每个Y轴磁敏传感器的敏感轴方向平行于Y轴；

信号采样单元，其与各个磁敏传感器的输出端相电连，用于对各个磁敏传感器输出的信号进行采样；

信号处理单元，其与信号采样单元的输出端相电连，所述信号处理单元对采样信号进行计算，计算出X轴、Y轴和Z轴的磁场分量的数字信号；

信号输出单元，其将所述信号处理单元计算分离出来的数字信号输出。

优选地，所述各X轴磁敏传感器、Y轴磁敏传感器沉积在基片表面并感应基片表面内的磁场分量。

优选地，所述各X轴磁敏传感器、Y轴磁敏传感器为AMR、GMR或TMR磁阻传感器之中的一种。

优选地，所述各X轴磁敏传感器、Y轴磁敏传感器为自旋阀，并且所述X轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向与Y轴磁敏传感器中元件的钉扎层的磁化方向相互正交。

优选地，所述X轴磁敏传感器、Y轴磁敏传感器各自至少包括一个感应元件和一个参考元件，所述参考元件位于所述通量集中器的下方，所述感应元件沿所述通量集中器边缘排列。

优选地，所述的X轴的磁场分量对应两个X轴磁敏传感器输出信号之和、所述的Y轴的磁场分量对应两个Y轴磁敏传感器输出信号之和。

优选地，所述的Z轴的磁场分量对应所述两个X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

优选地，所述通量集中器的组成材料为高导磁率软磁金属材料NiFe、CoFeSiB、CoZrNb、CoFeB、FeSiB或FeSiBNbCu中的一种。

优选地，所述通量集中器的厚度为1-20um。

优选地，所述基片采用CMOS，将所述X轴磁敏传感器、Y轴磁敏传感器印制在所述基片上面。

进一步地,所述的X轴的磁场分量对应两个X轴磁敏传感器输出信号之和、所述的Y轴的磁场分量对应两个Y轴磁敏传感器输出信号之和、所述的Z轴的磁场分量对应所述两个X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

进一步地，所述的Z轴的磁场分量对应所述两个X轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个Y轴磁敏传感器输出信号的差值，或者对应所述两个X轴磁敏传感器输出信号的差值与所述两个Y轴磁敏传感器输出信号的差值之和。

本实用新型具有尺寸小、制造工艺简单、容易封装、结构新颖、算法简单、测量精度高等优点。