数字罗盘的分类

随着微电子集成技术、加工技术和材料技术的不断发展。数字罗盘的研究、制造和应用达到了前所未有的水平。目前，数字罗盘根据有无倾斜补偿可分为平面数字罗盘和三维数字罗盘，根据传感器不同还可分为磁阻效应传感器、霍尔效应传感器和磁通门传感器。磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性。磁化时，其磁化方向将取决于材料的易轴、材料的形状和磁化磁场的方向。如下图2-1所示，当电流I作用于带状坡莫合金材料时，材料的电阻取决于电流方向与磁化方向的夹角。如果对材料施加磁场B(测量磁场),原始磁化方向将发生旋转。如果磁化方向转向与电流垂直的方向，材料的电阻会降低；如果磁化方向转向平行于电流的方向，材料的电阻就会增大。磁阻效应传感器通常由四个这样的电阻器组成，并将它们连接成一个电桥。在被测磁场B的作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，而另外两个电阻阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与测量的磁场成正比。

图2-1磁阻效应

磁阻传感器已经制作在硅晶片上，并且已经形成了产品。它的灵敏度和线性度都能满足磁罗盘的要求，各方面的性能明显归功于霍尔元件。磁滞误差和零温度漂移也可以通过传感器的交替正向磁化和反向磁化来消除。由于这些优越的性能，磁阻传感器在某些应用中可以与磁通门竞争。

磁阻传感器的主要问题是其翻转效应，这是其原理所固有的。如前所述，磁性材料在使用前被磁化，然后如果遇到反方向的强磁场(大于20高斯)，材料的磁化会受到影响，从而影响传感器的性能。极端情况下磁化方向会反转180。虽然这种危险可以通过定期磁化来消除，但仍然存在问题。磁化材料的磁场必须很强。如果用外部线圈来产生周期性磁化磁场，就失去了小型化的意义。霍尼韦尔公司的一项专利解决了这个问题。他们在硅片上做了一个电流带，产生磁化的磁场，电流带的电阻只有5欧姆左右。磁化电流虽然只有1-2毫秒，但电流强度却高达1到1.5安培。但这种方案对驱动电路要求较高，如果集成到微型系统中，如此强的脉冲电流会威胁到系统中微处理器等其他电路的可靠性。霍尔效应磁传感器的工作原理如图2-2所示。如果沿矩形金属片的长方向施加电流I，并且由于载流子上的洛伦兹力，沿垂直于片平面的方向施加增强的磁场B，则在其横向上将产生电压差U，其大小与电流I、磁场B和材料的霍尔系数r成正比，与金属片的厚度d成反比。100多年前发现的霍尔效应很难应用，因为一般材料的霍尔系数很小，直到半导体出现才真正用于磁场测量。这是因为半导体中载流子的数量很少。如果对其施加的电流与金属材料相同，那么半导体中载流子的速度会更快，洛伦兹力会更大，霍尔效应的系数也会更大。

霍尔效应磁传感器具有体积小、重量轻、功耗低、价格低、接口电路简单等优点，特别适用于强磁场的测量。然而，它具有灵敏度低、噪声高和温度性能差的缺点。虽然一些高灵敏度的霍尔元件或磁集中措施也可以用来测量地磁场，但一般用在要求不高的地方。

磁饱和法是基于磁调制原理，即在交变磁场的饱和激励下，利用被测磁场中铁磁材料铁芯的磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的方法。采用磁饱和法测量磁场的磁力仪称为磁饱和磁力仪，也称为磁通门磁力仪或铁磁探头磁力仪。磁饱和法大致可以分为谐波选择法和谐波不选择法两大类。谐波选择法只考虑探头感应电动势的偶次谐波(主要是二次谐波)，滤除其他谐波；谐波非选择法是不经滤波直接测量探头感应电动势的全谱。差动磁饱和探头可以用来组成磁饱和梯度仪，可以测量非均匀磁场。同时，梯度仪可以克服地磁场的影响，抑制外界干扰。这种磁强计自20世纪30年代开始用于地磁测量以来，不断得到发展和改进，至今仍是测量弱磁场的基本仪器之一。磁饱和磁力仪具有分辨率高、测量弱磁场范围广、可靠、简单、廉价和耐用等优点。它可以直接测量磁场的分量，适用于高速运动系统。因此被广泛应用于各个领域，如地磁研究、地质勘探、武器侦察、材料无损检测、空间磁场测量等。近年来，磁饱和磁力仪在航天工程中得到了广泛的应用，如控制卫星和火箭的姿态，测绘来自太阳的“太阳风”以及空间磁场、月球磁场、行星磁场和行星际磁场与带电粒子相互作用的模式。

虽然磁通门仍然存在处理电路相对复杂、体积大、功耗相对较大等问题，但是随着微系统、微型磁通门和低功耗磁通门的研究，这些问题都可以得到解决。

从三者的比较来看，基于磁阻传感器的电子罗盘体积小，响应快，优势明显，是电子罗盘的发展方向。