巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
磁性傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中，如速度檢測(cè)，角度檢測(cè)，位置檢測(cè)，電流檢測(cè)等。根據(jù)磁性感應(yīng)原理，可分為霍爾原理及磁阻原理。其中磁阻式根據(jù)原理又可分為常磁阻效應(yīng)（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效應(yīng)（Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效應(yīng)（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效應(yīng)（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效應(yīng)（Giant Magneto impedance，GMI）以及特異磁阻效應(yīng)（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。
目前磁性傳感器在汽車領(lǐng)域應(yīng)用中主要有霍爾效應(yīng)，各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)，巨磁阻效應(yīng)以及穿遂磁阻效應(yīng)。英飛凌是少數(shù)幾個(gè)同時(shí)掌握有以上磁性感應(yīng)技術(shù)并應(yīng)用于產(chǎn)品中的半導(dǎo)體公司之一。
相比于霍爾效應(yīng)和各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)，巨磁阻效應(yīng)具有更好的靈敏度,更小的噪聲以及氣隙表現(xiàn),非常適合汽車領(lǐng)域中需要高精度以及較大工作氣隙要求的應(yīng)用。目前英飛凌巨磁阻系列傳感器涵蓋速度及角度應(yīng)用，本文主要介紹巨磁阻傳感器原理及其在速度檢測(cè)和角度檢測(cè)方面應(yīng)用。
集成巨磁阻原理
所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得•格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯•費(fèi)爾（Albert Fert）分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。
巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。
如圖1所示，兩側(cè)藍(lán)色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過，但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現(xiàn)高阻抗。
圖1:巨磁阻效應(yīng)示意圖
圖2：巨磁阻磁性感應(yīng)層結(jié)構(gòu)
如上文所說(shuō),巨磁阻電阻值取決于自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角，自由層磁化方向會(huì)隨著外界磁場(chǎng)方向改變而改變。巨磁阻傳感器磁場(chǎng)工作區(qū)間如圖3所示，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過|BK|時(shí)巨磁阻傳感器工作在飽和區(qū)，此時(shí)自由層和參考層磁化方向平行，進(jìn)一步增加外界磁場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)導(dǎo)致電阻值變化。當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在- BK
圖3:GMR磁場(chǎng)工作區(qū)間特性曲線通常外界磁場(chǎng)強(qiáng)度BK為5mT時(shí)，巨磁阻阻值變化率在10%左右。磁場(chǎng)線性區(qū)間用于速度檢測(cè)，而飽和區(qū)間則用于角度檢測(cè)。
1.速度檢測(cè)
巨磁阻速度傳感器在汽車領(lǐng)域可以用于ABS、變速箱、凸輪和曲軸等速度及位置檢測(cè)。
巨磁阻傳感器其感應(yīng)單元由四個(gè)巨磁阻單元組成一個(gè)惠斯通電橋，如圖4所示為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，每一個(gè)半橋包含兩個(gè)巨磁阻單元，兩個(gè)半橋之間距離通常為2.5mm（為了適應(yīng)較小齒距輪速目標(biāo)輪，TLE5041PlusC差分感應(yīng)單元間距離為2.0mm）用于產(chǎn)生差分速度信號(hào)。如果需要檢測(cè)目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，則可以在正中間增加第5個(gè)巨磁阻單元。方向信號(hào)和速度信號(hào)存在90°的相位偏移,通過比較速度信號(hào)和方向信號(hào)之間相位,可以判斷目標(biāo)輪轉(zhuǎn)向,從而輸出相應(yīng)PWM信息用來(lái)反映目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
評(píng)論