磁阻效應(yīng)傳感器

1、磁阻效應(yīng)傳感器磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的。磁性材料 （ 如坡莫合金 ） 具有各向異 性，對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)， 其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、 材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。 如下圖 2-1 所示， 當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流 I 時(shí)，材料的電阻取決于電流的方向與磁化 方向的夾角。如果給材料施加一個(gè)磁場(chǎng)B（被測(cè)磁場(chǎng)），就會(huì)使原來(lái)的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向， 則材料的電阻將減小 ; 如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向， 則材料的電阻將增大。 磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個(gè)這樣的電阻組成， 并將它們接成電橋。 在 被測(cè)磁場(chǎng)B作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，

2、另外兩個(gè)電阻的阻值減小。 在其線(xiàn)性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。圖 2-1 磁阻效應(yīng)并形成產(chǎn)品。 其靈敏度和線(xiàn)性度已經(jīng)能滿(mǎn)足磁羅盤(pán)的遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移還可采用對(duì)傳感器進(jìn)行交由于磁阻傳感器的這些優(yōu)越性能， 使它在某些應(yīng)用磁阻傳感器已經(jīng)能制作在硅片上， 要求，各方面的性能明顯由于霍爾器件。 替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。場(chǎng)合能夠與磁通門(mén)競(jìng)爭(zhēng)。FNN-3300就是用的磁阻傳感器，在市場(chǎng)上占據(jù)很重要的地位，所以證明在電子羅盤(pán)中磁阻式的是優(yōu)于霍爾效應(yīng)及磁通門(mén)的。汽車(chē)應(yīng)用中的磁阻傳感器磁阻傳感器系統(tǒng)的建模和仿真Magnetoresistive Sensors in Automobile

3、sModeling and Simulating Magnetoresistive Sensor SystemsMarcus Prochaska ， Boris Klabunde 和Stefan Butzmann作者：時(shí)間： 2008-02-05 來(lái)源： 電子產(chǎn)品世界恩智浦半導(dǎo)體德國(guó)漢堡汽車(chē)電子創(chuàng)新中心(Automotive Innovation Center)磁阻效應(yīng)支持汽車(chē)內(nèi)的多種傳感器應(yīng)用。磁阻傳感器主要用來(lái)測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機(jī)械元件所組成的復(fù)雜系統(tǒng)的一部分。 因?yàn)樗性紩?huì)影響系統(tǒng)的反應(yīng)， 所以在規(guī)劃系統(tǒng)及其操作時(shí)要非常重視對(duì)整個(gè)系統(tǒng)

4、的仿真。 下面重點(diǎn)討論這種系統(tǒng)的建模和仿真。電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)汽車(chē)的發(fā)展具有決定性的促進(jìn)作用。未來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展 也會(huì)在很大程度上由不斷創(chuàng)新的電子元件驅(qū)動(dòng)。傳感器技術(shù)可檢測(cè)車(chē)輛及其周?chē)h(huán)境條件，因 此具有特殊意義。有多種傳感器系統(tǒng)可用于此類(lèi)目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉(zhuǎn)矩 傳感器等。磁場(chǎng)測(cè)量傳感器在汽車(chē)內(nèi)尤其常見(jiàn)，主要用于機(jī)械變量的非接觸式檢測(cè)。通常這種 傳感器通過(guò)霍爾元件， 或者基于各向異性磁阻 （AMR） 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。 與使用霍爾效應(yīng)的解決方案相 比，AMR傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，例如抖動(dòng)更少、靈敏度更高。但在提高準(zhǔn)確性或降低整體系統(tǒng)成 本方面，二者不分伯仲。除了在電子羅盤(pán)中利用磁阻

5、傳感器測(cè)量地球磁場(chǎng)之外，尤其是借助磁 場(chǎng)指示機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和位置時(shí)，可使用磁阻傳感器確定角度和速度。防滑系統(tǒng)、引擎和傳送 控制都需要這種數(shù)據(jù)。產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體的機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇會(huì)在很大程度上影響測(cè)量數(shù)據(jù)的獲 取。因此，在部署整個(gè)系統(tǒng)之前使用仿真技術(shù)進(jìn)行深入分析非常重要，以確保達(dá)到目標(biāo)功能并 降低成本。因此，在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中建立系統(tǒng)模型，之后用于支持后續(xù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，對(duì)于解決 設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的這類(lèi)問(wèn)題也能發(fā)揮重要作用。下文將探討新型速度傳感器的整體系統(tǒng)建模和 仿真。體帶莓tea哥用直電圖1 AMR傳感器系統(tǒng)包含兩個(gè)封裝圖2各向異性磁阻效應(yīng)信號(hào)檢測(cè)現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)主要由兩個(gè)元件組成基本傳感器和信號(hào)處理專(zhuān)

6、用集成電路（ASIC）（圖1）?，F(xiàn)已證明，后來(lái)由Lord Klevin 于1857年發(fā)現(xiàn)的各向異性磁阻效應(yīng)特別適用 于檢測(cè)磁場(chǎng)。首先考慮通常具有多種磁疇結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料。這些稱(chēng)之為韋斯磁疇的結(jié)構(gòu)，其 內(nèi)部磁化的方向彼此不同。如果將這種材料平鋪為一薄層，那么磁化矢量處于材料層平面方向。另外，可較精確地假設(shè)只存在一個(gè)磁疇。當(dāng)這種元件暴露于外部磁場(chǎng)中時(shí)，后者會(huì)改變內(nèi)部磁 化矢量的方向。如果同時(shí)一股電流通過(guò)該元件，就會(huì)產(chǎn)生電阻（圖2），這取決于電流和磁化之間的角度。當(dāng)電流和磁化方向彼此成直角時(shí)，電阻最小，當(dāng)二者平行時(shí)，電阻最大。電阻變化 的大小取決于材料。鐵磁性材料的性質(zhì)也決定對(duì)溫度的依賴(lài)性。電阻最大

7、變化為2.2%并且對(duì)溫度變化反應(yīng)良好的最佳合金是81%的鎳和19%的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器系統(tǒng)中的基本傳感器都采用這種強(qiáng)磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨(dú)配置幾個(gè)AMR電阻，以增強(qiáng)輸出信號(hào)并改善溫度反應(yīng)特性。此電路也可在制造過(guò)程中進(jìn)行微調(diào)。圖3顯示如何在裸片上配 置AMR元件。確定速度的裝置多半由兩個(gè)組件組成：編碼器輪和傳感器系統(tǒng)。編碼器輪可以是主動(dòng)式 或被動(dòng)式。主動(dòng)輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測(cè)北極和南極之間的變化。如果是被動(dòng)輪，則 由一種齒狀結(jié)構(gòu)代替磁化。 如圖 1 所示， 傳感器頭上也必須有一塊用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體。 接 下來(lái)，我們只討論因公差極小而著稱(chēng)的被動(dòng)編碼器輪。當(dāng)傳感

8、器對(duì)稱(chēng)地面對(duì)一個(gè)齒或者被動(dòng)輪 兩齒之間的空隙時(shí)， 這不會(huì)使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。 忽略外部噪聲場(chǎng)并考慮橋電 路時(shí)，輸出信號(hào)獲得零值。然而，如果傳感器頭處于齒邊緣前面，則磁輸入信號(hào)達(dá)到極值。齒 空隙或空隙 / 齒切換類(lèi)型的函數(shù)結(jié)果與磁輸入信號(hào)正弦曲線(xiàn)的最小值或最大值非常接近。信號(hào)處理7/14 mA 協(xié)議傳為了確定速度，將磁輸入信號(hào)編碼處理為電脈沖序列，而且通常通過(guò) 送。在最簡(jiǎn)單的情況下，可使用比較器產(chǎn)生脈沖序列。通常會(huì)向比較器電路添加磁滯以消除低 噪聲的影響。然而，這種施密特觸發(fā)器在噪聲水平較高的條件下不能確保其功能性。例如，傳 感器頭和編碼器輪之間空隙出現(xiàn)顯著波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致磁輸入信

9、號(hào)振幅發(fā)生波動(dòng)。 如果振幅變得很小， 甚至不再超過(guò)或低于磁滯臨界值，則不管編碼器輪的位置如何，輸出信號(hào)都保持其有效工作時(shí) 的最后狀態(tài)。在檢測(cè) ABS 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速時(shí)， 傳感器和編碼器輪之間的距離可能會(huì)出現(xiàn)這種變化。 當(dāng)存在負(fù)載變化 （例如突然轉(zhuǎn)向動(dòng)作 ） ，橫向作用于輪上的離心力會(huì)在輪軸上產(chǎn)生彎曲力矩。這 將改變安裝在與傳感器相關(guān)的軸上的編碼器輪的位置，這些傳感器是與輪懸架相結(jié)合的。磁位移也會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，噪聲場(chǎng)可使實(shí)際測(cè)量信號(hào)加強(qiáng)或減弱，致使 施密特觸發(fā)器的臨界值被高估或低估。然而，位移不僅是由外部場(chǎng)引起的。被動(dòng)輪極高的速度 可使輪中產(chǎn)生渦流，而這又會(huì)產(chǎn)生磁噪聲場(chǎng)。所產(chǎn)生的位移會(huì)

10、影響操作的可靠性。為消除此噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響，另一封裝中裝入了信號(hào)處理專(zhuān)用集成電路 （ASIC） 。 后者也包含一個(gè)線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器， 以便為信號(hào)處理和高電壓接口提供電源電壓（圖 1） 。圖 4 所示為信號(hào)處理架構(gòu)。用于故障排除的中心元件為包括調(diào)式放大器、偏移抵消電路和智能比較器。根 據(jù)傳感器和編碼器輪之間的距離，可調(diào)式放大器可以與信號(hào)級(jí)匹配。對(duì)于偏移抵消電路，有一 種控制系統(tǒng) （ 與高通濾波器不同 ） 可消除偏移， 同時(shí)將系統(tǒng)頻率保持為 0?Hz 。否則，就不可能檢 測(cè)到停止不動(dòng)的編碼器輪。智能比較器的臨界值是可變的，并且可設(shè)置，使磁滯處于信號(hào)振幅 的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑制

11、噪聲， 而且振幅突降達(dá) 50% 也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn) 轉(zhuǎn)。模擬前端的個(gè)別組件控制則通過(guò)數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。所述系統(tǒng)均利用仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。下 文將概略介紹系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，同時(shí)闡述如何使用模型來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。fir JL PT5- R4； 空里RdIto 吒=VmJJTVjS謂4尺盂圖3裸片上的AMR元件配置Ml降脾Mhi治-MhYT g盲w FSBwwsat mrr&，l? r協(xié),I芽哥風(fēng)f Ji1砂1斗左労墜nfe心F廠(chǎng):h h .T圖4現(xiàn)代速度傳感器的信號(hào)處理原理圖5網(wǎng)格一磁場(chǎng)有限元模擬的起點(diǎn)系統(tǒng)仿真 要開(kāi)發(fā)傳感器系統(tǒng)，首先必須對(duì)預(yù)期的磁輸入信號(hào)有一個(gè)總體了解。首先要了解編碼ANSYS 方法進(jìn)行 FE

12、M 仿真 （圖 5） 。然后便可根據(jù) 圖 6 是傳感器橋上的磁 信號(hào)振幅隨距離增器輪和傳感器頭上永磁體的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，以及預(yù)期尺寸和公差。通過(guò) 可確定磁場(chǎng)。這里就有對(duì)編碼器輪、傳感器元件和磁體進(jìn)行建模的問(wèn)題 傳感器元件和編碼器輪之間的距離， 確定與之呈函數(shù)關(guān)系的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 輸入信號(hào)與距離呈函數(shù)關(guān)系的三維圖示。很容易看出輸入信號(hào)呈正弦曲線(xiàn)， 加而明顯減小。除了距離之外，位置偏離也會(huì)導(dǎo)致振幅減小。例如，如果傳感器頭不在編碼器 輪前面的中心位置，那么信號(hào)振幅也會(huì)減小。根據(jù)FEM 仿真方法，這樣也可將機(jī)械規(guī)范轉(zhuǎn)化成預(yù)期磁變量。與氣隙變化不同，傾斜會(huì)導(dǎo)致偏移，這同樣會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。FEM 仿真也可以預(yù)

13、估其造成的影響 （圖 7） ，而且結(jié)果可直接轉(zhuǎn)化為可容許的位置公差。確定磁場(chǎng)之后是傳感器系統(tǒng)仿真。AMR元件的電阻變化是各向異性磁阻效應(yīng)的直接結(jié)果。這樣，磁場(chǎng)仿真的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致代表信號(hào)處理中輸入信號(hào)的電阻發(fā)生變化。對(duì)模擬前端進(jìn)行建模 可采用Simulink。這種行為模型是概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，標(biāo)志著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的起點(diǎn)。每個(gè)Simulink 塊 對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬信號(hào)處理組件，例如放大器或過(guò)濾器。但是，尚未考慮模擬組件的控制部分，這 由數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。HDL設(shè)計(jì)則仿真通過(guò)數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)的功能，而且在完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之后就會(huì)最 終成形。因此，整體系統(tǒng)仿真是 Simulink 對(duì)模擬組件的行為模型以及ModelSim對(duì)HDL

14、設(shè)計(jì)的共同仿真（圖8）?？赏ㄟ^(guò)仿真從概念階段順利過(guò)渡到HDL設(shè)計(jì)及后續(xù)階段。在共同仿真中，可用ModelSim中部署的Verilog代碼逐漸代替Simulink參考模型，從而可逐項(xiàng)驗(yàn)證HDL設(shè)計(jì)?？沙掷m(xù)進(jìn)行此過(guò)程，直到在Verilog中實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字部件，而模擬系統(tǒng)部件仍保持為Simulink 模型。此工具組合也已證明對(duì)IC 評(píng)估同樣有用。自始至終使用這種工具可以更容易理解IC行為，并可創(chuàng)建用來(lái)分析和解釋任何錯(cuò)誤的框架。這些工具的主要好處在于，能夠更 快速、更準(zhǔn)確地答復(fù)客戶(hù)的查詢(xún)，以及更好地了解與環(huán)境條件相關(guān)的傳感器功能。-iaflfcVinxcJ廠(chǎng)與傳感器頭和編碼器輪間距離呈函數(shù)關(guān)系的磁輸入信

15、號(hào)模擬 I |、:二.I 1| I n Lr -二:“ ffI 二W姿孑刃bT二:二二圖7為確定可容許的位置公差而進(jìn)行的磁場(chǎng)計(jì)算SrmiJlink analog1 星耳i -刁1 2 Lf一產(chǎn) 1r _ 一 - *1嚴(yán)廠(chǎng)I-J=ModelSim digital*11iT圖8模擬前端和數(shù)字塊的共同仿真結(jié)論9中的第一張圖表顯通過(guò)此項(xiàng)建模，可以分析與輸入信號(hào)呈函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)行為。圖示通過(guò)改變傳感器和編碼器輪之間的距離而產(chǎn)生的磁輸入信號(hào)。此信號(hào)是有限元件仿真結(jié)果， 之后AMR效應(yīng)可將此信號(hào)轉(zhuǎn)化成傳感器橋的電輸出信號(hào)。中間的圖表是模擬信號(hào)處理的結(jié)果。下面一張圖表顯示輸出信號(hào)。此器件使用A 7/14/28

16、 mA協(xié)議。這種協(xié)議可用來(lái)傳送額外信息,10顯示例如感測(cè)旋轉(zhuǎn)或氣隙長(zhǎng)度。除了這些結(jié)果之外，也可以檢查數(shù)字控制的運(yùn)行情況。圖 的是ModelSim中的信號(hào)圖象實(shí)例。通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真控制并結(jié)合其他仿真器可創(chuàng)造更多選擇。首先，例如可使模擬自 動(dòng)化。然后可以使用大量算法在MATLAB中進(jìn)行信號(hào)仿真。例如，對(duì)所需系統(tǒng)和信號(hào)參數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅(Monte Carlo) 仿真，隨后進(jìn)行自動(dòng)化分析。通過(guò)FEM仿真器(例如NASYS),可以擴(kuò)展所仿真的系統(tǒng)組件，甚至包括MR傳感器頭和相關(guān)編碼器，從而將系統(tǒng)視圖擴(kuò)展到傳感器周?chē)苯酉嚓P(guān)的區(qū)域。圖 11顯示的是用于此目的的整個(gè)工具鏈。 i- - JhII圖9模擬結(jié)果：電輸出信號(hào)比對(duì)磁輸入信號(hào)Q 丄 41|.:士耳 _ r II. I -譏 I I圖10數(shù)字系統(tǒng)元件的仿真FL：町杖呷llrtNShaMU：-：-J,-I屹：&IVIU UkL； 7 二:弋（i*匚強(qiáng)HI亍也fd匕吐現(xiàn)7 II/.HO：. J !1 11If丿.H實(shí)雉忡rr.壯汁MAT LMt(J 吃芷7岸 r” Ji vjlit ihiihlLlth圖11完整的仿真鏈總結(jié)許多汽車(chē)應(yīng)用中都采用基于AMR效應(yīng)的現(xiàn)代智能傳感器。對(duì)傳感器系統(tǒng)的要求自然會(huì)假設(shè)發(fā)現(xiàn)