用于汽車傳動系統(tǒng)的高度集成磁場傳感器

　　摘要：異向性磁阻(AMR)效應是汽車領域眾多傳感器應用的基礎，AMR傳感器具有性能穩(wěn)定、工作溫差大、耐用等多種優(yōu)勢。包括節(jié)氣門、電子線控和線控轉向等系統(tǒng)在內的機械系統(tǒng)角度測量是一個非常重要的應用領域，AMR傳感器可以提高機械系統(tǒng)效率，對開發(fā)環(huán)保型汽車具有直接意義。本文將以高度集成的角位傳感器KMA210為例，詳細探討如何使用AMR角度傳感器。

　　關鍵詞：AMR;汽車傳動系統(tǒng);傳感器;磁場傳感器

　　簡介

　　現在的汽車要同時保證行車安全、操控便捷以及控制尾氣排放，油門踏板傳感器、節(jié)氣門、可變氣門驅動和線控轉向系統(tǒng)都離不開角位傳感器。隨著新排放法規(guī)不斷出現以及能源成本日益增加，現有傳動概念已無法滿足要求，提高汽車效率已成為業(yè)界關注的焦點，而傳感器在這一領域具有舉足輕重的地位。

　　提高效率，傳感器必須滿足更嚴格的要求?；诋愊蛐源抛?AMR)效應的智能磁場傳感器是這類應用的最佳選擇。該傳感器系統(tǒng)為機械部件的角位測量提供了一套非接觸、無磨損解決方案。除具有出色的大溫差工作范圍外，AMR傳感器的耐用性和穩(wěn)定性優(yōu)勢也非常明顯?？傮w而言，AMR傳感器完全滿足汽車應用的高品質、長壽命和耐用要求。

　　新型KMA210傳感器系統(tǒng)(圖1)采用創(chuàng)新模塊設計，除傳感器本身和相關信號處理單元外，所有輔助器件全部集成在單一設備中，無需引入外部器件和電路板。模塊可直接安裝，完全滿足普通EMC(電磁兼容)要求。因此，系統(tǒng)總成本得到了大幅消減。另外，與之前產品相比，測量準確性也得到了進一步提升。例如，KMA210傳感器在 40 ~ +160℃溫度范圍內的線性誤差為±1.0℃，溫度漂移誤差0.4°(25℃參考溫度)。

　　通過增加綜合診斷和16V過壓保護等功能，系統(tǒng)整體耐用性得到了顯著加強。因此，KMA210完全滿足汽車行業(yè)日益提高的要求。

　　傳感器系統(tǒng)

　　現代AMR傳感器系統(tǒng)主要包括兩部分：基本傳感器和信號處理ASIC單元。異向性磁阻效應是已故凱爾文爵士在1857年首先提出的理論[1]，該效應理論非常適合磁場檢測。磁場由多個離散磁疇構成的鐵磁性材料產生[2]。這些磁疇也稱為外斯磁疇，具有不同的磁化方向。如果將鐵磁材料制成超薄層，則磁化矢量可以控制在薄層范圍內。也就是說，可以近似認為只有一個唯一的磁疇。如果該元件受到外部磁場影響，則其內部的磁化矢量方向將會改變[3]。電流通過此元件時，電阻取決于電流與磁化的方向夾角。電流與磁化方向相互垂直時電阻最小，平行時最大。電阻變化幅度取決于材料。不過，鐵磁性材料的類型也會對溫度特性產生影響。由81%的鎳和19%的鐵組成的合金具有最大電阻變化范圍(2.2%)和最佳溫度特性[2]。為了最大程度放大輸出信號、改善溫度特性，AMR電阻器通常采用惠斯通橋配置。AMR角度傳感器由兩個電阻橋采用45°夾角交錯布置[3]。常規(guī)測量結構詳見圖3、圖4給出了管芯中兩個電阻橋的布置形式(傳感器A和B)。

　　角度測量首先要計算電阻橋A和B之間的輸出信號比，然后，再用反正切函數直接計算角度。恩智浦角度測量智能傳感器系統(tǒng)的配置形式詳見圖5。兩個AMR電阻橋的輸出信號均經過了放大和數字化處理。角度計算本身通過數字邏輯單元執(zhí)行。輸出的角度測量結果可以是數字或模擬格式，主要取決于器件類型。恩智浦傳感器系統(tǒng)完全滿足汽車領域的應用需求，不僅適合 40~160℃工作溫度范圍，還能對所有引腳提供最高26V的超壓保護。其他特點包括自診斷、模擬/數字接口、溫度監(jiān)控和用戶編程。

　　KMA210傳感器采用的設計原理如圖5所示。圖6給出了該傳感器的示意圖，通過集成阻塞電容器和輸出電容器，無需安裝外部器件。與現有的智能傳感器相比，KMA210無論測量精度和EMC性能都有顯著提升。信號處理ASIC單元采用了SOI 140nm ABCD9 CMOS 工藝制造，不僅EMC性能更加出色，同時還能滿足高壓和低功耗要求。