雙向磁性重置技術加持　電子羅盤操作便利又精準

由於地球磁場強度僅有0.3～0.4G，故磁力計偵測對環境中的磁干擾相當敏感。在現今輕薄短小的電子商品中，由於內部空間極度壓縮，以至於很多帶磁性的部件如各類插孔、電容、鋰電池，甚至手寫板等，皆相當接近磁感測器擺放位置，故磁場干擾將遠大於欲量測的地球磁場。此外，外來強磁突然出現如汽車或火車經過、與其他電子產品的近距離接觸，或磁鐵靠近等狀況，亦會對磁感測器產生干擾而影響其方位判定的準確度。

為增進地磁定位準確度，許多電子產品在開啟電子羅盤功能時會要求使用者以手動方式校正以初始化磁感測器；而突發的磁干擾出現時，亦須用手動校正方式將磁感測器重設，以回到正常量測狀態。不過，由於使用者進行手動校正時手勢與慣用動作的個體差異極大，容易造成校正採樣的資料點分布不佳，而影響感測器準確度，甚至使測量誤差加劇。

此外，由於市面上多數磁感測器為連續測量模式，故誤差會持續累積，造成方位角誤判；因此，不論在精準度或操作便利性方面，現行的磁感測器均有很大的進步空間，本文將針對抗磁干擾技術的原理與應用做一介紹。

通盤考量內/外部干擾　磁力計設計對症下藥

磁干擾依據其來源與裝置磁感測器之電子商品的相對位置，可分為內部干擾與外部干擾兩部分，二者對量測結果的影響與產生的誤差並不相同，所需的校正亦有所差異。

軟磁/硬磁干擾來自電子產品本身

內部干擾主要來自電子產品內部組件本身所帶的磁性，因太過接近磁感測器，以至於產生干擾。此干擾處於產品內部，其作用方向對於磁感測器來說可視為恆定，不隨使用者轉動而改變，故可藉由校正而消除。

依干擾的性質可分為軟磁(Soft Iron)干擾與硬磁(Hard Iron)干擾兩種。軟磁干擾為一高導磁率的材料在空間中對磁場的偏折效應，如圖1a所示，空間中的磁場/磁力線傾向朝高導磁材料的內部匯聚，導致不均勻的磁場強度分布。高導磁材料不同的形狀、不均勻的導磁率分布，與不同的待測磁場方向均對磁束的匯聚狀態有顯著影響。在軟磁干擾下的磁感測器，由於地磁與高導磁部件的交互作用，在空間中所得到的地磁向量軌跡為一橢球面而非正球面，如圖1b所示。

圖1　軟磁干擾示意圖

硬磁干擾則為一由內部組件所產生的恆定磁場，是由導磁率較低的磁性部件所產生。其值可為一個或多個部件所產生，在感測器位置上的向量和，如圖2a所示，由於導磁率低，故不會與待測磁場產生交互作用，僅以一常數值加總進待測磁場的向量中。在此干擾作用下，於空間中所測量到的地磁軌跡仍為一正球面，但其圓心位置離原點將產生一偏移，如圖2b所示，其偏移量即為硬磁干擾的大小。

圖2　硬磁干擾示意圖

一般來說，一個帶磁性的金屬部件會對磁感測器同時存在軟磁與硬磁的干擾。這是因為在製造時機械加工所引入的應力與部件本身幾何形狀的不對稱性，導致材料導磁率分布的巨大落差所致。內部磁干擾的強度必須明顯小於磁感測器的動態範圍，否則將會使磁感測器因自身磁化接近飽和而失效。

恆定/突發性強磁為主要外部干擾源

不同於內部干擾，外部干擾在空間方位上與地磁等位，其向量與待測磁場向量疊加，故無法校正或分離，須將干擾源移除才能重新進行量測。其可為一恆定干擾源，亦可為一突發性的強磁干擾，此類型干擾並不會改變所測量到空間中磁場向量的正球體軌跡，也不會產生球心與原點的偏移，而是使向量長度，即球體半徑發生變化，如圖3所示。

圖3　外部干擾示意圖

在恆定干擾的實際例子中，若磁力計處於一存在多數或大型磁性物質的環境中，如鋼骨建築如大樓、鐵塔、鐵橋或電梯內，地磁將與環境中磁性物質交互作用或磁場疊加，一旦地磁和向量長度小於感測器動態範圍，則感測功能存在但方位判斷失準，須至遠離干擾源處方可正確定位。

突發性強磁則是另一常見，且容易造成的外部干擾型態。當配備磁感測器的產品靠近帶有強磁場的物件，如馬達、變電器或高強度永磁磁鐵時，由於該處磁場值遠大於磁感測器動態範圍，故感測器失效。

當大磁場移除後，雖然回到量測範圍內，但有兩種因素將導致磁感測失準。一為感測器本身的磁化狀態已被改變。磁感測器的構成多包含磁性材料，用以感測磁場或將磁場偏折以利量測。經歷強磁場後，磁性材料內部的磁矩排列方向發生改變，導致量測失準，這種干擾會產生類似圖2b所示空間中的訊號軌跡，此現象在三軸霍爾(Hall)磁感測器與磁阻式(Magnetoresistance)磁感測器較為明顯。

另一種情形為配備感測器的裝置內部磁性環境發生變化，即強磁場使裝置內部的軟、硬磁結構發生變化，偏離出廠時的校正值而失準，此種干擾會產生類似圖1b所示空間中的訊號軌跡。

如前所述，軟磁與硬磁內部干擾加總效應，會使所測得外部磁場向量的空間軌跡呈現一個與原點有一平移量的橢球面，如圖4a所示。故其校正須涵蓋正圓與偏移兩個部分，主要方法是將配備感測器的裝置置於三軸旋轉台上，在三個彼此垂直的平面上旋轉360度採集數據以勾勒出球面輪廓，如圖4b所示；隨後再利用演算法運算校正球面幾何，與球心歸零，如圖4c所示。

圖4　磁感測器校正方法

干擾源內外夾攻　磁感測器仰賴手動校正

內部磁干擾校正為裝置的初始狀態校正，故於產品出廠前即會完成。使用者面對的問題，主要來自外部強磁干擾造成的磁感測失準。在突發性強磁場移除後，設計人員若要手動校正感測器，則須以手部動作模擬三維旋轉台的功能如圖4b，在空間中採集數據點以軟體擬合成一球面，再以演算法進行校正。

由於使用者校正的手勢個體差異極大，採集到的數據並不能均勻涵蓋球面，因此軟體所擬合出的球面往往會產生扭曲或失真，使校正失敗，使用者須不斷校正直至成功為止，因而產生使用上的困擾。

至於強磁場造成裝置內部磁性環境改變所導致的誤差，設計人員雖然可藉由磁感測器位置布局最佳化來克服，但來自磁感測器內部磁矩排列變化導致的失準，卻無可避免須以手動校正。

增進抗干擾能力　磁力計磁化行為不可忽視

由於磁感測器內部受到干擾所呈現出的現象，是所採集到數據的空間軌跡從球心在原點的正球面，變成幾何中心偏移的橢球面，為進一步了解偏差的原因，設計人員須從磁感測器中磁性物質在受到強大外部磁場作用後，磁化行為產生的變化看起。

圖5a顯示在外部磁場作用下，感測器內部磁性結構在其量測方向上磁化強度的變化，磁化強度即材料中的磁矩在特定方向排列的程度。圖中可知，當外部磁場逐漸增加，磁化強度隨之增加，當磁場達到一臨界值Hk時，磁化強度達到飽和值Ms，該臨界值稱為飽和磁場。在正向與負向飽和磁化值之間，磁化強度與外部磁場呈現線性的關係，在未受到突發性強磁干擾時，磁化反轉的路徑沿著實線的軌跡在正負向間移動，並通過原點o。在軌跡上的任一位置，磁矩的磁化反轉皆為可逆(Reversible)，即無磁滯(Hysteresis)現象。

當一外部強磁場出現時，感測器中磁性結構在量測方向上被正向或負向飽和磁化，來到c點或d點，當干擾磁場移除後，由於磁化狀態已被改變，磁化曲線將不再沿著可逆的路徑而變成如虛線所示，而在初始狀態的上方或下方，依干擾磁場的方向而定。此時在外部磁場為零時與縱軸產生一截距a與b，此截距即為磁性結構因不可逆磁化所造成的殘餘磁化強度，該殘餘磁化量即是量測誤差的來源。以下將以市面上主流的磁感測器為例，討論此誤差呈現的形式。

不可逆磁化現象導致AMR失準

以異向性磁阻(Anisotropy Magnetoresistance, AMR)感測器為例，其特有的電流控制結構(Barber-pole)，使其輸出在未受干擾的狀態下對外部磁場的曲線如圖5b中實線所示。當外部磁場為零時，感測器的輸出為一位準值VoA，當磁場增加/減少至±(1/2)Hk時，輸出達到一極大/極小值，進一步增加磁場至±Hk時，輸出則回復至位準值。由此可知其工作的動態範圍(Dynamic Range)為飽和磁場的一半。

圖5　各種磁感測器磁化狀態與輸出對外部磁場的響應

經歷強磁干擾後，由於不可逆磁化的產生，感測器輸出對外部磁場的響應如圖5b虛線所示，不僅在輸出極大值與極小值有所縮減與響應軌跡偏離線性行為之外，在外部磁場為零的狀態下亦產生一VaA或VbA的輸出，此結果將造成感測器的量測失準。

磁滯影響GMR/TMR輸出響應路徑

巨磁阻(Giant Magnetoresistance, GMR)或穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)感測器的輸出對外部磁場響應，如圖5c所示，相似於圖5a磁化強度對磁場的關係。未受干擾前，GMR或TMR飽和磁場範圍內呈現一可逆的線性輸出，如圖中實線所示，到達磁性飽和後輸出亦達飽和，維持在極大與極小值，外部磁場為零時輸出值為一位準VoGT，感測器的工作範圍等於磁性的飽和磁場。經歷磁干擾後，磁滯的出現導致輸出響應路徑的變化，如圖中虛線所示，在外部磁場為零時產生一VaGT或VbGT的輸出，造成感測失準。

霍爾元件導磁率受外部磁場左右

霍爾感測器的輸出響應則如圖5d所示。霍爾元件為半導體，本身不帶磁性，其內部磁性結構的功能為利用其高導磁率偏折外部磁場至特定量測方向，而非直接的磁場感測，角色與前述磁阻式感測器大不相同；但其磁性結構磁化強度對外部磁場響應在特定的量測方向上，則與上述磁阻感測器類似。由於霍爾元件量測的磁場是藉由磁性結構偏折而來，故當其在量測方向逐漸接近飽和磁化狀態時，在該方向的導磁率會趨近於零，以至於無法偏折外部磁場，感測器輸出將趨近於零。

值得注意的是，雖然霍爾元件本身並沒有工作範圍的限制，但其依附的磁性結構卻有飽和磁場因而產生工作範圍。如圖5d所示，其工作範圍因為線性響應區域較小的關係而遠小於飽和磁場，但由於霍爾元件內磁結構的飽和磁場大於磁阻結構一個數量級以上，故實際感測器的動態範圍仍較磁阻式感測器大。在未受干擾前，外部磁場為零時輸出值為一準位VoH；經歷磁干擾後，磁滯的出現導致輸出響應路徑產生變化，如圖中虛線所示，在外部磁場為零時產生一VaH或VbH的輸出，造成感測失準。

在霍爾元件中的磁性結構由於體積過大，故無法以在可接受功耗範圍之內的任何方式有效初始化，導致其在遭受外部強磁干擾後，只能以使用者手動校正方式以重新恢復正常量測狀態，故在精準度與使用便利性方面存在無法克服的限制。

磁性初始化/雙向磁性重置克服失準問題

針對磁感測器本身因外部強磁場作用，使內部磁性結構的磁化狀態產生改變而導致失準的問題，磁性重置技術可協助感測器修正。該技術依作法可分為兩種形式，一為磁性初始化，二為磁性交互重置，二種不同工作機制的原理與特性以下將逐一介紹。

磁性初始化主要應用在巨磁阻磁感測器。其做法為在感測器位置設置一線圈，在每次啟用電子羅盤或遭受外部強磁干擾後，即在線圈通一電流產生一磁場，該磁場方向垂直於感測器量測方向，將感測單元形磁性初始化。此一重置磁場可將磁化強度對外部磁場的響應軌跡，從含有不可逆磁化的虛線回復至預設的量測狀態，及實線軌跡；而輸出亦將回復為通過原點的線性實線軌跡，完成初始化。

其磁性重置與採取數據的時間關係如圖6a所示。當線圈通過一重置電流後，即開始連續的數據擷取，直至下一次重置機制的啟動。此方法固然可以有效回復外部強磁干擾產生的誤差，但由於磁性初始化只做一次，隨著量測的時間增加，由磁滯現象所導致的誤差可能會產生並逐漸累積。在長時間感測時若出現間歇性的磁性干擾時，精準度會逐漸下降。

圖6　磁性重置與採取數據的時間關係

雙向磁性重置應用於異向性磁阻感測器。與初始化類似之處為以線圈涵蓋量測單元的面積，並以一驅動電流使線圈產生磁場以磁化量測單元，將因磁滯而導致的輸出漂移回復至原點。但不同之處在線圈的驅動電流為雙向而非單向，即其所產生的磁場為一正向與一反向，將感測單元的磁化方向在垂直其量測方向上做交互的正負向磁化。此種雙向的磁性重置將使輸出的訊號反向，藉由所得正負相反的訊號彼此相減，可得兩倍輸出強度，即兩倍感度(Sensitivity)。此外，二訊號的相減亦可減去由電路不對稱造成的影響與大部分的雜訊，尤其是低頻雜訊，達成極低的感測器雜訊。

其磁性重置與採取數據的時間關係如圖6b所示。當線圈通過一重置電流後，即進行一次數據擷取；完成擷取後，再於線圈中導通一反向的重置電流以反向磁化感測單元，再進行一次數據擷取，將兩次所得訊號相減即得量測訊號。

由於每一次數據採集前都有一次磁性重置且兩次數據採集完成一次訊號量測，故不會形成磁滯誤差的累積，可不限操作時間的達成超高精度的量測。此外，雙向磁性重置自動完成感測器內部的校正功能，在一磁性受控制的裝置內，使用者在裝置受到外部強磁干擾後，可免除手動校正的步驟而得到精準的定位，相對於霍爾感測器而言，在使用便利性上大幅躍進。基於此不可取代的優勢，目前已有業者推出配備雙向磁性重置的AMR方案，可兼顧感測精準度及使用便利性。

精準度大躍升　雙向磁性重置AMR走紅

隨著行動裝置定位與導航軟體服務的進化，單純配合地圖的方向指引已然不敷使用需求。整合雲端資訊與即時影像技術的高階定位功能如行動定址服務(Location-based Service, LBS)與擴增實境(Augmented Reality)等，即將改變使用者習慣而成為未來主流。

現今以導航功能為主的電子羅盤，其精準度要求一般在±5到±7度之間；為了因應遠距標的需求，下一世代支援AR功能的電子羅盤精準度要求則大幅上升至±1度之譜，高精準度的感測成為必然發展趨勢。傳統的霍爾元件受限於其元件的低感度導致的較低精準度，與無法進行磁性重置，必須進行手動校正的缺點，在下一世代的應用上將受到限制。具有磁性重置機制的產品，尤其是雙向磁性重置，由於其高精準度與使用的便利性，預期將成為未來市場的主流。

(本文作者為愛盛科技主任工程師)