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电子罗盘能够利用地磁场来精确测量方位角,因此它在航空航天、航海、浮标、水下定向、钻井设备、机器人定向、陆地天线、气象中的风向仪、地震监测等领域有着广泛的用途。目前,国外多家公司各自推出了不同原理的磁传感器和电了罗盘,但国内还很少有自主的地磁传感器。本文主要介绍了一种二维各向异性磁阻传感器的设计与制备,并且利用了雀尼韦尔公司的磁阻传感器HMC1043设计了一种电子罗盘。
本文首先阐述了各向异性磁阻传感器的工作原理。基于该原理利用Ni81Fe19合金制备了各向异性磁阻薄膜,并利用四探针法测试了薄膜的性能。实验结果表明,在饱和磁场情况下,其电阻相对变化率为1.2%。然后利用L-edit软件设计了一种二维各向异性磁阻传感器的结构,包含有两个一维的磁阻传感器和两个平面化的置位/复位线圈,其中每一个磁阻传感器由一个惠斯通电桥构成,平面化的置位/复位线圈是用于产生磁场()赋予磁阻传感器抗脉冲强磁场干扰功能与降低磁阻传感器信号的温度漂移,提高传感器的测量精度。然后利用剥离工艺(LiR-off)进行了传感器的制备,制备过程中主要用到了高真空磁控溅射仪。传感器在制备后需要在磁场中进行热处理,以减少磁阻薄膜的缺陷,同时形成易磁化轴。因此,本文还设计了一个磁化热处理设备。对制备的传感器的灵敏度进行测试,其灵敏度达到0.30mV/V/gauss。
存制备磁阻传感器的同时,本文利用霍尼韦尔的磁阻传感器HMC1043以及VTI公司的倾角传感器SCA100T研制了一个电子罗盘。磁阻传感器用来测量地磁场的三个分量,倾角传感器用来测量电子罗盘的俯仰角和翻滚角,两个传感器的信号经过电路处理后传入单片机中,再通过串口输入到计算机进行计算处理,计算机终端采用VB编制的界面来显示电子罗盘的方位角、俯仰角和翻滚角。系统采用了低功耗的置位/复位电路来保证磁阻传感器的灵敏度。
为了标定电子罗盘内传感器的安装角度与外壳之间的偏差,还设计了一个精密旋转平台,平台由电动旋转台,步进电机控制器,控制电路板等构成。同时还提出了一种只利用三维磁阻传感器来标定电子罗盘的方位角和倾角的方法,该方法适用于实验室使用。最终电子罗盘的方位角精度达到0.5°,方位角分辨率达到O.1°。