巨磁阻傳感器原理及其應用
加入技術(shù)交流群
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
圖5:磁性速度傳感器應用
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。所以兩種感應原理應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，能減少相應成本。
2.角度檢測
當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單元結(jié)構(gòu)，四個獨立的巨磁阻感應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單元組成的惠斯通電橋組在結(jié)構(gòu)上平行于感應平面X,Y軸，同心軸向垂直于Z軸，其巨磁阻感應單元結(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)準確性以及可靠性。
圖6：巨磁阻角度傳感器感應單元
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。當外部磁場強度太弱時，會導致自由層磁化方向不能夠很好地對齊外部磁場方向。當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，當外界磁場強度恢復到規(guī)定范圍內(nèi)時，檢測精度又能夠恢復到正常范圍。
圖7：外部磁場強度對巨磁阻角度傳感器影響
綜上所述,英飛凌能夠為汽車領(lǐng)域應用提供基于巨磁阻效應傳感器，可用于速度檢測和角度檢測，其感應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。
評論