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巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用

作者： 時(shí)間：2016-12-19 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏


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(hào)Vsig=Vp-Vn=Vb*R4/（R3+R4）-Vb*R2/（R1+R2） 式3-1

方向信號(hào)Vcenter=Icenter*R5 式3-2


圖4:惠斯通電橋

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201612/331426.htm磁性傳感器通過檢測(cè)磁場(chǎng)變化來檢測(cè)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(chǎng)產(chǎn)生方式主要有兩種:一種是針對(duì)非磁性輪應(yīng)用，如圖5左所示。對(duì)于這種非磁性輪應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)，即Z軸磁場(chǎng)。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(chǎng)，即X,Y軸磁場(chǎng)。對(duì)于一些非磁性輪應(yīng)用時(shí)，需要使用背磁方案。背磁產(chǎn)生垂直于感應(yīng)單元的磁場(chǎng)，當(dāng)傳感器靠近目標(biāo)輪時(shí)，磁場(chǎng)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(cè)到的平行磁場(chǎng)。

如前所述，巨磁阻傳感器用于速度檢測(cè)時(shí)，其磁場(chǎng)工作區(qū)間為線性區(qū)間，線性區(qū)間工作磁場(chǎng)強(qiáng)度大約在±5mT，因此在使用背磁方案時(shí)需要有磁路抑制技術(shù)用以減少平行磁場(chǎng)強(qiáng)度，避免巨磁阻感應(yīng)單元達(dá)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(duì)于曲軸和凸輪軸等應(yīng)用除了需要速度信息外，有時(shí)候還需要傳感器提供位置信息。對(duì)于這類應(yīng)用，需要特別注意的一點(diǎn)就是不能直接用巨磁阻傳感器去替換霍爾傳感器。因?yàn)楦鶕?jù)其感應(yīng)原理，差分式霍爾傳感器信號(hào)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(shí)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(jìn)行調(diào)整。

相比于霍爾傳感器，在速度檢測(cè)方面巨磁阻傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

-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(cè)

當(dāng)巨磁阻傳感器工作在磁場(chǎng)飽和區(qū)時(shí)可用于角度檢測(cè)，巨磁阻感應(yīng)單元阻值會(huì)隨著外界磁場(chǎng)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(gè)獨(dú)立的巨磁阻感應(yīng)單元組成一個(gè)惠斯通電橋，箭頭方向代表參考層磁化方向。對(duì)于單核角度傳感器總共有兩個(gè)惠斯通電橋分別用來檢測(cè)磁場(chǎng)正弦和余弦變化。其中VX代表輸出余弦信號(hào)，而VY代表輸出正弦信號(hào)。正弦或者余弦信號(hào)只能檢測(cè)180°范圍，通過正弦和余弦信號(hào)求正切值，再反正切計(jì)算后便可以檢測(cè)360°范圍的角度變化。

對(duì)于一些需要提供冗余設(shè)計(jì)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(jì)能夠很好地確保同一感應(yīng)平面上磁場(chǎng)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(cè)應(yīng)用，英飛凌巨磁阻角度傳感器系列提供多種型號(hào)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度，以TLE5012B為例，工作在-40℃至150℃下外部磁場(chǎng)強(qiáng)度規(guī)定為30mT至50mT范圍。外部磁場(chǎng)強(qiáng)度過小或者過大都會(huì)增加額外的角度誤差。如圖7所示，綠色代表外部磁場(chǎng)，藍(lán)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(chǎng)強(qiáng)度太弱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自由層磁化方向不能夠很好地對(duì)齊外部磁場(chǎng)方向。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度太強(qiáng)時(shí)，會(huì)影響到參考層磁化方向。外界磁場(chǎng)強(qiáng)度過強(qiáng)并不會(huì)造成芯片的損壞，只是會(huì)影響檢測(cè)精度，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)精度又能夠恢復(fù)到正常范圍。


圖7：外部磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)巨磁阻角度傳感器影響

總結(jié)

綜上所述,英飛凌能夠?yàn)槠囶I(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(cè)和角度檢測(cè)，其感應(yīng)單元和信號(hào)處理單元被集成到一個(gè)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(diǎn)，將會(huì)越來越廣泛地被用于各個(gè)領(lǐng)域。
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