巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用

根據(jù)圖4惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，很容易得出如下等式：差分速度信號Vsig=Vp-Vn=Vb*R4/（R3+R4）-Vb*R2/（R1+R2） 式3-1方向信號Vcenter=Icenter*R5 式3-2

圖4:惠斯通電橋

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/331426.htm磁性傳感器通過檢測磁場變化來檢測目標(biāo)輪速度以及方向, 而傳感器感應(yīng)面和目標(biāo)輪之間磁場產(chǎn)生方式主要有兩種:一種是針對非磁性輪應(yīng)用，如圖5左所示。對于這種非磁性輪應(yīng)用，設(shè)計時需要在傳感器背面集成磁鐵,即背磁方式（Back Bias）。還有一種是磁性輪,如圖5右所示。

圖5:磁性速度傳感器應(yīng)用

根據(jù)磁性傳感器感應(yīng)原理，霍爾傳感器感應(yīng)垂直于霍爾感應(yīng)單元的磁場，即Z軸磁場。而巨磁阻傳感器則感應(yīng)的是平行于巨磁阻感應(yīng)單元的磁場，即X,Y軸磁場。對于一些非磁性輪應(yīng)用時，需要使用背磁方案。背磁產(chǎn)生垂直于感應(yīng)單元的磁場，當(dāng)傳感器靠近目標(biāo)輪時，磁場受到目標(biāo)輪影響而彎曲，從而產(chǎn)生巨磁阻傳感器能夠檢測到的平行磁場。如前所述，巨磁阻傳感器用于速度檢測時，其磁場工作區(qū)間為線性區(qū)間，線性區(qū)間工作磁場強度大約在±5mT，因此在使用背磁方案時需要有磁路抑制技術(shù)用以減少平行磁場強度，避免巨磁阻感應(yīng)單元達到飽和。為了更方便巨磁阻速度傳感器在非磁性輪的應(yīng)用,英飛凌也提供集成背磁版本（Integrated Back Bias）的巨磁阻速度傳感器,其背磁方式采用具有英飛凌相關(guān)專利技術(shù)的磁路抑制方案。另外對于曲軸和凸輪軸等應(yīng)用除了需要速度信息外，有時候還需要傳感器提供位置信息。對于這類應(yīng)用，需要特別注意的一點就是不能直接用巨磁阻傳感器去替換霍爾傳感器。因為根據(jù)其感應(yīng)原理，差分式霍爾傳感器信號在齒中切換，而巨磁阻傳感器則在齒邊沿切換。所以兩種感應(yīng)原理應(yīng)用時存在著一定的相位偏移，這種相位偏移是不能夠通過傳感器硬件方式改變，只能通過軟件方式進行調(diào)整。相比于霍爾傳感器，在速度檢測方面巨磁阻傳感器具有如下優(yōu)點：-更好相位精度及重復(fù)精度-更高的靈敏度-優(yōu)異的氣隙表現(xiàn)-體積小-更好的抗噪聲能力-工作溫度范圍更廣-成本低：可以使用便宜的磁性材料如鐵磁性材料，相比霍爾傳感器常用到的釹鐵硼、釤鈷等稀土材料，能減少相應(yīng)成本。2.角度檢測當(dāng)巨磁阻傳感器工作在磁場飽和區(qū)時可用于角度檢測，巨磁阻感應(yīng)單元阻值會隨著外界磁場方向改變而改變。如圖6所示為巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)，四個獨立的巨磁阻感應(yīng)單元組成一個惠斯通電橋，箭頭方向代表參考層磁化方向。對于單核角度傳感器總共有兩個惠斯通電橋分別用來檢測磁場正弦和余弦變化。其中VX代表輸出余弦信號，而VY代表輸出正弦信號。正弦或者余弦信號只能檢測180°范圍，通過正弦和余弦信號求正切值，再反正切計算后便可以檢測360°范圍的角度變化。對于一些需要提供冗余設(shè)計的系統(tǒng)，英飛凌提供雙核版本角度傳感器。雙核版本角度傳感器其感應(yīng)單元組成的惠斯通電橋組在結(jié)構(gòu)上平行于感應(yīng)平面X,Y軸，同心軸向垂直于Z軸，其巨磁阻感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)大小相同，僅僅在Z軸方向存在一定氣隙。這樣的設(shè)計能夠很好地確保同一感應(yīng)平面上磁場變化方向相同，更好地保證了雙核角度傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及可靠性。

圖6：巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元

為了滿足不同角度檢測應(yīng)用，英飛凌巨磁阻角度傳感器系列提供多種型號以滿足不同需求。比如TLE5009輸出正弦和余弦模擬量，而TLE5011輸出正弦和余弦數(shù)字量。而TLE5012B則能夠輸出處理后的角度值，通過SPI協(xié)議輸出角度以及速度信息，并針對不同應(yīng)用還可提供IIF，HSM，PWM，SPC等接口。巨磁阻角度傳感器需要工作在合適的磁場強度，以TLE5012B為例，工作在-40℃至150℃下外部磁場強度規(guī)定為30mT至50mT范圍。外部磁場強度過小或者過大都會增加額外的角度誤差。如圖7所示，綠色代表外部磁場，藍色代表自由層磁化方向，紅色代表參考層磁化方向。當(dāng)外部磁場強度太弱時，會導(dǎo)致自由層磁化方向不能夠很好地對齊外部磁場方向。當(dāng)外部磁場強度太強時，會影響到參考層磁化方向。外界磁場強度過強并不會造成芯片的損壞，只是會影響檢測精度，當(dāng)外界磁場強度恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)時，檢測精度又能夠恢復(fù)到正常范圍。

圖7：外部磁場強度對巨磁阻角度傳感器影響

總結(jié)綜上所述,英飛凌能夠為汽車領(lǐng)域應(yīng)用提供基于巨磁阻效應(yīng)傳感器，可用于速度檢測和角度檢測，其感應(yīng)單元和信號處理單元被集成到一個芯片上，可提供更小體積以及優(yōu)異性能。巨磁阻傳感器具有體積小，靈敏度高，線性度好，溫度范圍高，耐惡劣環(huán)境，成本低等特點，將會越來越廣泛地被用于各個領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 巨磁阻傳感器霍爾效應(yīng)磁阻效