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各向异性磁阻

各向异性磁阻

Honeywell地磁传感器有哪些?

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laoguo 回复了问题 • 1 人关注 • 2 个回复 • 865 次浏览 • 2021-07-14 23:56 • 来自相关话题

TMR磁传感器简介

laoguo 发表了文章 • 0 个评论 • 2752 次浏览 • 2021-06-30 15:23 • 来自相关话题

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中,有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数,例如采用霍尔(Hall)元件,各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magnetoresistance, GMR)元件为敏感元件的磁传感器。

  以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场,提高霍尔输出灵敏度,从而增加了传感器的体积和重量,同时霍尔元件具有功耗大,线性度差的缺陷。AMR元件虽然其灵敏度比霍尔元件高很多,但是其线性范围窄,同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作,造成其制造工艺的复杂,线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度,但是其线性范围偏低。

  TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器,其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应,比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。我们通常也用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)来代指TMR元件,MTJ元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更好的线性度,不需要额外的聚磁环结构;相对于AMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更宽的线性范围,不需要额外的set/reset线圈结构;相对于GMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更宽的线性范围。下图是四代磁传感技术原理图。

 c磁传感器技术发展历程

  下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比,可以更清楚直观的看到各种技术的优劣。

技术

功耗(mA)

尺寸  (mm)

灵敏度

(mV/V/Oe)

工作范围

(Oe)

分辨率

(mOe

温度特性

(℃)

Hall

5~20

1×1

0.05

1~1000

500

<150

AMR

1~10

1×1

1

0.001~10

0.1

<150

GMR

1~10

2×2

3

0.1~30

2

<150

TMR

0.001~0.01

0.5×0.5

20

0.001~200

0.1

<200

  auto_1426

  右图是一个MTJ元件的结构原理图。MTJ元件由钉扎层(Pinning Layer)、隧道势垒层(Tunnel Barrier)、自由层(Free Layer)构成。钉扎层由铁磁层(被钉扎层,Pinned Layer)和反铁磁层(AFM Layer)构成,铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合作用决定了铁磁层的磁矩方向;隧道势垒层通常由MgO或Al2O3构成,位于铁磁层的上部。铁磁层位于隧道势垒层的上部。如图所示的箭头分别代表被钉扎层和自由层的磁矩方向。被钉扎层的磁矩在一定大小的磁场作用下是相对固定的,自由层的磁矩相对于被钉扎层的磁矩是相对自由且可旋转的,随外场的变化而发生翻转。各薄膜层的典型厚度为0.1 nm到100 nm之间。

  底电极层(Bottom Conducting Layer)和顶电极层(Top Conducting Layer)直接与相关的反铁磁层和自由层电接触。电极层通常采用非磁性导电材料,能够携带电流输入欧姆计,欧姆计适用于已知的穿过整个隧道结的电流,并对电流(或电压)进行测量。通常情况下,隧道势垒层提供了器件的大多数电阻,约为1000欧姆,而所有导体的阻值约为10欧姆。底电极层位于绝缘基片(Insulating Layer)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于其他材料构成的底基片(Body Substrate)的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC或者是能够于晶圆集成的任何其他材料。硅由于其易于加工为集成电路(尽管磁性传感器不总是需要这种电路)成为最好的选择。 

auto_1427

  右图所示的是在理想情况下的MTJ元件的响应曲线。在理想状态下,磁电阻R随外场H的变化是完美的线性关系,同时没有磁滞(在实际情况下,磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象,我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路,通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小,在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线)。在现实应用的传感器领域,由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷,这条曲线会更弯曲。本发明涉及了传感器的设计、结构以及能够生产实施的工序,该传感器具有卓越的工作感应,在工作区域内同时具有高线性度、低磁滞、高灵敏度的特点(即磁电阻响应曲线斜率大)。

  R-H曲线具有低阻态RL和高阻态RH。其高灵敏度的区域是在零场附近,传感器的工作区间位于零场附近,约为饱和场之间1/3的区域。响应曲线的斜率和传感器的灵敏度成正比。如图3所示,零场切线和低场切线以及高场切线相交于点(-Hs+Ho)和点(Hs+Ho),可以看出,响应曲线不是沿H = 0的点对称的。Ho是典型的偏移场。Ho值通常被称为“橘子皮效应(Orange-peel Coupling)”或“奈尔耦合(Néel Coupling)”,其典型值为1到40 Oe。其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关,依赖于材料和制造工艺。Hs被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值,该值是在响应曲线相对于Ho点的不对称性消除的情况下所取的。图3中,白色箭头代表自由层磁矩方向,黑色箭头代表钉扎层磁矩方向,磁电阻响应曲线随自由层磁矩和被钉扎层磁矩之间角度的变化而变化:当自由层磁矩与钉扎层磁矩反平行时,曲线对应高阻态RH;当自由层磁矩与钉扎层磁矩平行时,曲线对应低阻态RL;当自由层磁矩与钉扎层磁矩垂直时,阻值是位于RLRH之间的中间值,该区域是理想的线性磁传感器的“工作点”。

上图中的内插图是另一个磁电阻R与外场H的响应曲线图,该磁电阻沿传感器的法线旋转了180°。在同一外场H的作用下,该磁电阻的响应曲线与主图对应的磁电阻的响应曲线呈相反的变化趋势。主图对应的磁电阻和旋转180°设置的磁电阻可以构造电桥,这被证明比其他可能的方法输出值更大。

  电桥可以用来改变磁电阻传感器的信号,使其输出电压便于被放大。这可以改变信号的噪声,取消共模信号,减少温漂或其他的不足。MTJ元件可以连接构成惠斯通电桥或其他电桥。auto_1428

 右图是一个典型的MTJ推挽半桥传感器结构。沿传感器的法线旋转180°排列的两个MTJ磁电阻构成了半桥结构,其具有3个外接焊盘(Contact-Pad),依次为:偏置电压(Vbias)、中心点VOUT以及接地点(GND),桥式电路可通过焊盘进行电连,稳恒电压Vbias施加于焊盘Vbias端和GND端。在同一外场H的作用下,一个磁电阻的阻值增加的同时另一个的阻值会随之降低,施加相反方向的外场会使一个磁电阻的阻值降低的同时另一个的阻值会随之增加,使两个磁电阻测量外场有相反的响应——一个阻值增加另一个阻值降低——这可以增加传感器的灵敏度,因此被称为“推挽式”桥式电路。

  推挽半桥传感器的输出电压可以通过很多已知的方法进行测量,例如在V1和GND焊盘之间连接电压表,V1和GND之间的电位差(V1-GND)就是输出电压,其典型的输出曲线的模拟结果如图4所示。

auto_1429

  右图是MTJ电桥的输出曲线为模拟信号,可以通过设置一个专用的ASIC芯片对模拟信号进行处理,可根据用途输出数字信号

  巨磁电阻效应的发现者法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Andreas Grünberg)由于其对现代磁记录和工业领域的巨大贡献而获得2007年诺贝尔物理学奖,作为GMR元件的下一代技术,TMR(MTJ)元件已完全取代GMR元件,被广泛应用于硬盘磁头领域。相信TMR磁传感技术将在工业、生物传感、磁性随机存储(Magnetic Random Access Memory,MRAM)等领域有极大的发展与贡献



磁性角度传感器如何选?

laoguo 发表了文章 • 0 个评论 • 1026 次浏览 • 2020-08-06 09:56 • 来自相关话题

随着工厂和车辆自动化程度的提高,准确、低延迟的电机轴速度和位置感测对于过程控制、系统可靠性和安全性至关重要。为了满足这些需求,设计人员需要快速、精确,而且能够灵活应对磁场变化和轴向错位的角度旋转传感器。


 
对设计人员来说,令这个问题复杂化的是无时不在的成本和时间压力,以及各类工业和汽车应用的操作环境性质,它们可能会在化学品和油类以及温度和EMI等方面带来巨大的挑战。其他考虑因素还包括磨损和不断变化的配置,这要求传感器件具有一定程度的灵活性。
 
本文将介绍角度传感器的作用,并展示如何使用磁输入和传感器元件的特定组合来自定义位置感测特性(例如速度和低延迟)。然后介绍AKM Semiconductor、Infineon Technologies和Monolithic Power Systems的传感器解决方案示例,并讨论它们的实现。


角度传感器的作用



角度传感器可用于感测电机轴的位置和速度变化,实现汽车的转向角感测和机器人系统中的高精度控制。它们通过检测所施加磁场的方向并测量其正弦和余弦分量,来确定旋转轴上径向磁化圆柱体的绝对角位置。由于轴可能会高速旋转,因此需要以最小的延迟快速获取和处理来自传感器的数据,这一点至关重要。
 
通常使用四种磁性技术之一:霍尔效应、各向异性磁阻 (AMR)、巨磁阻 (GMR) 和隧道磁阻 (TMR)(图1)。在使用其中任意一种技术时,设计人员都必须首先根据特定参数(例如磁属性、传感器规格和组装公差),确定从磁铁表面到传感器的合适距离。

图 1:当磁铁在TMR传感器上旋转时,感测元件的电阻会随旋转角度而变化。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
该气隙必须与磁铁尺寸和剩磁(也称为剩余磁化强度)之类的参数保持一致。设计人员还必须确保气隙变化不会导致磁场过弱或过强。这需要仔细考虑适合应用气隙的磁铁(图2)。

图2:设计人员可以根据多种设计考虑因素选择磁铁与传感器的相对位置,例如所需的抗外部磁场干扰能力和气隙公差。(图片来源:Monolithic Power Systems)
 
不过,角度传感器可以支持广泛的空间配置和磁场强度,包括离轴或侧轴安装和轴端配置。为了帮助适应变化,使用片载非易失性存储器存储配置参数,例如参考零角度位置、ABZ编码器设置以及电机绕组的相位信息。
 
接着,该器件能够检测各种磁场强度,从而使开发人员能够针对特定功能(例如诊断和轴向运动感测)定制角度传感器。获取可编程磁场强度阈值还有助于实现输出为两个逻辑信号的推挽按钮功能。
 
不过,尽管速度、低延迟和分辨率等特性均依赖于应用要求,但安全性才是角度传感器设计的核心。功能安全标准合规性进一步证实了对汽车和工业设计环境的承诺,而这些环境对于准确性和可靠性的要求非常严格。
 

符合功能安全要求



汽车应用中使用的角度传感器需要达到乃至0.1˚的高精度,有助于确保在面对非常苛刻的操作环境时符合ISO 26262功能安全标准。这些传感器的应用包括用于泵、雨刷器、制动器、阀、挡板、踏板和转向角的无刷直流 (BLDC) 电机中的位置测量。0.1˚的精度适用于整个温度范围和产品生命周期。此外,在介于10mT和20mT之间的低磁通密度下(此时角度误差显著增加),用于汽车和工业设计的角度传感器仍必须实现低至0.2°的角度误差。
 
此外,角度传感器应该易于集成到安全关键型设计中,例如电动助力转向 (EPS) 系统,它们对于自动停车和车道保持等自动驾驶功能而言至关重要。
 
为了满足易用性要求,Infineon的XENSIV TLE5109TLE5014角度传感器提供了单芯片和双芯片版本,并将感测和逻辑元件都集成在一个芯片上(图3)。双芯片版本更适合ASIL-D安全应用。

图3:安全关键型应用所用的双芯片角度传感器(右图)的侧视图(左图),该传感器使用上下放置来缩小空间,并通过使用低成本的铁氧体磁性材料来节省成本。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5109A16E2210XUMA1属于高精度AMR快速模拟角度传感器系列产品,误差角仅为0.1°。尽管基于AMR的角度传感器专为180°角度测量而设计,但它们也适用于具有偶数极对的电机中的360°测量,因为AMR感测元件实际上可测量双角度,即正弦和余弦(图4)。由于它们的角度误差很小,因而适用于各种磁通密度范围介于10mT到500mT以上的磁场。
 
图4:基于AMR的角度传感器专为180°角度测量而设计,但由于它能测量正弦和余弦角度,因此也可用于完整的360°角度测量。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5109角度传感器采用3.3V或5V电源供电。其他特性包括介于40µs到70µs之间的短启动时间,以确保最小的延迟并支持每分钟30,000转以上的速度。
 
TLE5014C16XUMA1是GMR传感器系列之一,可通过将所需的配置存储在板载EEPROM中进行编程,以满足广泛的应用需求(图5)。这些传感器还提供包括PWM、SENT、SPC和SPI在内的多种接口选择,从而提高灵活性和易用性。
 
图5:预先配置和预先校准的TLE5014角度传感器具有灵活的编程能力,可适应任何使用板载 EEPROM 的应用。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5014角度传感器通常从高达26伏(绝对最大值)的电源电压吸收25毫安 (mA) 电流,其单芯片版本符合ISO 26262 ASIL-C标准,双芯片版本符合ISO 26262 ASIL-D标准。
 

关键性能参数


 
为了充分实现角度传感器的功能,以减少可闻噪声并优化电机的平滑度和扭矩,设计人员应仔细考虑以下关键参数:精度、速度、延迟、轴向错位和磁铁漂移。
 
例如,尽管环境条件恶劣,但高精度读数对于汽车和工业环境至关重要。这使得热稳定性和气隙公差等因素对于角度传感器能否满足精度目标,同时不增加系统设计的成本和复杂性至关重要。
 
为了以最低的成本满足此类要求,Monolithic Power Systems的MagAlpha磁性位置传感器MA302GQ-PMA702GQ-P/Z和MA730GQ-Z可以安装在板的边缘,以用于轴端和侧轴(离轴)配置。在速度方面,凭借非接触式感测和12位分辨率绝对角度编码器,MA302传感器能够提供0rpm至60,000rpm的准确角度测量。MagAlpha MA730GQ-Z具有14位分辨率,并通过SPI链路提供数字读数(图6)。
 
图6:非接触式MagAlpha MA730GQ-Z具有14位分辨率,并通过SPI链路提供数字读数。(图片来源:Monolithic Power Systems)
 
不过,针对慢速操作(例如转速保持在200rpm以下的人机界面 (HMI) 或手动控制),该公司还提供了MagAlpha MA800,这是一种数字磁传感器,旨在取代模拟电位计或旋转开关。它与直径2mm至8mm的磁化圆柱体一起使用,具有灵活的磁铁配置和形状。
 
MA800具有较低的分辨率(8位),但具有片载非易失性存储器和可编程的磁场强度阈值。这些特性使其非常适合需要通过寄存器位以及输出信号来实现按钮读数的应用。
 

零延迟角度传感器



AK7451是一种12位角度传感器,可通过测量磁场强度来检测角速度和旋转角度。它具有平行于IC表面运行的磁铁组合,同时还提供高达20,000rpm的跟踪速度。在检测到平行于IC表面的磁场矢量后,它会输出磁铁的绝对角位置,然后输出相对角位置。
 
AK7451采用跟踪伺服系统架构,以确保零延迟旋转角度感测。零延迟角度传感器可以输出多达八极UVW绕组相位(图7),从而大幅提高了其通用性,使其可用于各种各样的电机驱动器和编码器应用。
 
图7:AK7451可让设计人员通过EEPROM来编程16种ABZ输出分辨率设置以及8种UVW输出脉冲数量设置。(图片来源:AKM Semiconductor)
 
此外,ABZ相位输出分辨率设定还从4种扩展至16种,增强了电机控制的适用性。它还使AK7451角度传感器无需安装霍尔IC,便可在直流无刷电机驱动的操作中保障转子位置检测。
 
在这里,值得一提的是,对于一些位置感测应用而言,延迟并不是关键问题。例如,在电动助力转向 (EPS) 手工滚轮角度感测中,每毫秒 (ms) 都会请求一个新的角度值。另外,区分由传感器IC和磁输入引起的误差也很重要,以便使用角度传感器IC来补偿与磁输入有关的误差。
 

总结



虽然更高的精度和更小的外形尺寸在很大程度上推动了汽车和工业应用中的角度传感器功能,但功能安全标准合规性概括了这些高精度器件的总体价值主张。但为了充分利用其功能,设计人员需要仔细考虑特定的应用要求,明确各种性能参数,例如适当的气隙、磁场强度、角速度和角度误差等。
 
如上所述,在建立这些要求后,便可使用各种各样的非接触式传感器来提供必要的精度、速度和可编程的灵活性,从而满足这些要求。



有没有2D霍尔传感器推荐?

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磁力计 / 磁传感器 / 罗盘品牌列表

laoguo 发表了文章 • 0 个评论 • 1459 次浏览 • 2020-06-10 19:57 • 来自相关话题

中国-矽睿科技(QST)三轴地磁传感器:QMC6310,QMC5883L,QMC783,QMC6983


    无锡美新(MEMSIC)
    明皜传感(MiraMEMS)
    江苏多维(dowaytech)
    旭化成微电子(AKM Semiconductor)
    Allegro
    Micronas
    Melexis
    爱知制钢(Aichi Steel)
    雅马哈(Yamaha)
    阿尔卑斯电气有限公司(Alps Electric)
    意法半导体(ST Microelectronics)
    Amotech
    飞思卡尔(Freescale)
    霍尼韦尔(Honeywell)
    松下(Panasonic)
    精量电子(Measurement Specialties)
    英飞凌(infineon)
    Baolab
    mCube


美国-PNI公司:

地磁传感器套件RM3100(包括专用驱动芯片13156,Sen-XY轴地磁传感器13104,Sen-Z Z轴传感器13101)


台湾-爱盛科技(isentek): http://www.isentek.com/

三轴AMR地磁传感器

        消费级产品线:IST8305,IST8306,IST8315

        工业级产品线:IST8307,IST8308,IST8310,IST8308A

AMR电流传感器:IST8110,ICSM1000(模块)

角度传感器:IST8210(180度)

为什么PNI磁传感器精度可以做到很高?

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中国-矽睿科技(QST)三轴地磁传感器:QMC6310,QMC5883L,QMC783,QMC6983


    无锡美新(MEMSIC)
    明皜传感(MiraMEMS)
    江苏多维(dowaytech)
    旭化成微电子(AKM Semiconductor)
    Allegro
    Micronas
    Melexis
    爱知制钢(Aichi Steel)
    雅马哈(Yamaha)
    阿尔卑斯电气有限公司(Alps Electric)
    意法半导体(ST Microelectronics)
    Amotech
    飞思卡尔(Freescale)
    霍尼韦尔(Honeywell)
    松下(Panasonic)
    精量电子(Measurement Specialties)
    英飞凌(infineon)
    Baolab
    mCube


美国-PNI公司:

地磁传感器套件RM3100(包括专用驱动芯片13156,Sen-XY轴地磁传感器13104,Sen-Z Z轴传感器13101)


台湾-爱盛科技(isentek): http://www.isentek.com/

三轴AMR地磁传感器

        消费级产品线:IST8305,IST8306,IST8315

        工业级产品线:IST8307,IST8308,IST8310,IST8308A

AMR电流传感器:IST8110,ICSM1000(模块)

角度传感器:IST8210(180度)

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为什么PNI磁传感器精度可以做到很高?

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TMR磁传感器简介

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磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中,有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数,例如采用霍尔(Hall)元件,各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magnetoresistance, GMR)元件为敏感元件的磁传感器。

  以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场,提高霍尔输出灵敏度,从而增加了传感器的体积和重量,同时霍尔元件具有功耗大,线性度差的缺陷。AMR元件虽然其灵敏度比霍尔元件高很多,但是其线性范围窄,同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作,造成其制造工艺的复杂,线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度,但是其线性范围偏低。

  TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器,其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应,比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。我们通常也用磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)来代指TMR元件,MTJ元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更好的线性度,不需要额外的聚磁环结构;相对于AMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更宽的线性范围,不需要额外的set/reset线圈结构;相对于GMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更宽的线性范围。下图是四代磁传感技术原理图。

 c磁传感器技术发展历程

  下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比,可以更清楚直观的看到各种技术的优劣。

技术

功耗(mA)

尺寸  (mm)

灵敏度

(mV/V/Oe)

工作范围

(Oe)

分辨率

(mOe

温度特性

(℃)

Hall

5~20

1×1

0.05

1~1000

500

<150

AMR

1~10

1×1

1

0.001~10

0.1

<150

GMR

1~10

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TMR

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0.5×0.5

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  右图是一个MTJ元件的结构原理图。MTJ元件由钉扎层(Pinning Layer)、隧道势垒层(Tunnel Barrier)、自由层(Free Layer)构成。钉扎层由铁磁层(被钉扎层,Pinned Layer)和反铁磁层(AFM Layer)构成,铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合作用决定了铁磁层的磁矩方向;隧道势垒层通常由MgO或Al2O3构成,位于铁磁层的上部。铁磁层位于隧道势垒层的上部。如图所示的箭头分别代表被钉扎层和自由层的磁矩方向。被钉扎层的磁矩在一定大小的磁场作用下是相对固定的,自由层的磁矩相对于被钉扎层的磁矩是相对自由且可旋转的,随外场的变化而发生翻转。各薄膜层的典型厚度为0.1 nm到100 nm之间。

  底电极层(Bottom Conducting Layer)和顶电极层(Top Conducting Layer)直接与相关的反铁磁层和自由层电接触。电极层通常采用非磁性导电材料,能够携带电流输入欧姆计,欧姆计适用于已知的穿过整个隧道结的电流,并对电流(或电压)进行测量。通常情况下,隧道势垒层提供了器件的大多数电阻,约为1000欧姆,而所有导体的阻值约为10欧姆。底电极层位于绝缘基片(Insulating Layer)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于其他材料构成的底基片(Body Substrate)的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC或者是能够于晶圆集成的任何其他材料。硅由于其易于加工为集成电路(尽管磁性传感器不总是需要这种电路)成为最好的选择。 

auto_1427

  右图所示的是在理想情况下的MTJ元件的响应曲线。在理想状态下,磁电阻R随外场H的变化是完美的线性关系,同时没有磁滞(在实际情况下,磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象,我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路,通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小,在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线)。在现实应用的传感器领域,由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷,这条曲线会更弯曲。本发明涉及了传感器的设计、结构以及能够生产实施的工序,该传感器具有卓越的工作感应,在工作区域内同时具有高线性度、低磁滞、高灵敏度的特点(即磁电阻响应曲线斜率大)。

  R-H曲线具有低阻态RL和高阻态RH。其高灵敏度的区域是在零场附近,传感器的工作区间位于零场附近,约为饱和场之间1/3的区域。响应曲线的斜率和传感器的灵敏度成正比。如图3所示,零场切线和低场切线以及高场切线相交于点(-Hs+Ho)和点(Hs+Ho),可以看出,响应曲线不是沿H = 0的点对称的。Ho是典型的偏移场。Ho值通常被称为“橘子皮效应(Orange-peel Coupling)”或“奈尔耦合(Néel Coupling)”,其典型值为1到40 Oe。其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关,依赖于材料和制造工艺。Hs被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值,该值是在响应曲线相对于Ho点的不对称性消除的情况下所取的。图3中,白色箭头代表自由层磁矩方向,黑色箭头代表钉扎层磁矩方向,磁电阻响应曲线随自由层磁矩和被钉扎层磁矩之间角度的变化而变化:当自由层磁矩与钉扎层磁矩反平行时,曲线对应高阻态RH;当自由层磁矩与钉扎层磁矩平行时,曲线对应低阻态RL;当自由层磁矩与钉扎层磁矩垂直时,阻值是位于RLRH之间的中间值,该区域是理想的线性磁传感器的“工作点”。

上图中的内插图是另一个磁电阻R与外场H的响应曲线图,该磁电阻沿传感器的法线旋转了180°。在同一外场H的作用下,该磁电阻的响应曲线与主图对应的磁电阻的响应曲线呈相反的变化趋势。主图对应的磁电阻和旋转180°设置的磁电阻可以构造电桥,这被证明比其他可能的方法输出值更大。

  电桥可以用来改变磁电阻传感器的信号,使其输出电压便于被放大。这可以改变信号的噪声,取消共模信号,减少温漂或其他的不足。MTJ元件可以连接构成惠斯通电桥或其他电桥。auto_1428

 右图是一个典型的MTJ推挽半桥传感器结构。沿传感器的法线旋转180°排列的两个MTJ磁电阻构成了半桥结构,其具有3个外接焊盘(Contact-Pad),依次为:偏置电压(Vbias)、中心点VOUT以及接地点(GND),桥式电路可通过焊盘进行电连,稳恒电压Vbias施加于焊盘Vbias端和GND端。在同一外场H的作用下,一个磁电阻的阻值增加的同时另一个的阻值会随之降低,施加相反方向的外场会使一个磁电阻的阻值降低的同时另一个的阻值会随之增加,使两个磁电阻测量外场有相反的响应——一个阻值增加另一个阻值降低——这可以增加传感器的灵敏度,因此被称为“推挽式”桥式电路。

  推挽半桥传感器的输出电压可以通过很多已知的方法进行测量,例如在V1和GND焊盘之间连接电压表,V1和GND之间的电位差(V1-GND)就是输出电压,其典型的输出曲线的模拟结果如图4所示。

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  右图是MTJ电桥的输出曲线为模拟信号,可以通过设置一个专用的ASIC芯片对模拟信号进行处理,可根据用途输出数字信号

  巨磁电阻效应的发现者法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Andreas Grünberg)由于其对现代磁记录和工业领域的巨大贡献而获得2007年诺贝尔物理学奖,作为GMR元件的下一代技术,TMR(MTJ)元件已完全取代GMR元件,被广泛应用于硬盘磁头领域。相信TMR磁传感技术将在工业、生物传感、磁性随机存储(Magnetic Random Access Memory,MRAM)等领域有极大的发展与贡献



磁性角度传感器如何选?

laoguo 发表了文章 • 0 个评论 • 1026 次浏览 • 2020-08-06 09:56 • 来自相关话题

随着工厂和车辆自动化程度的提高,准确、低延迟的电机轴速度和位置感测对于过程控制、系统可靠性和安全性至关重要。为了满足这些需求,设计人员需要快速、精确,而且能够灵活应对磁场变化和轴向错位的角度旋转传感器。


 
对设计人员来说,令这个问题复杂化的是无时不在的成本和时间压力,以及各类工业和汽车应用的操作环境性质,它们可能会在化学品和油类以及温度和EMI等方面带来巨大的挑战。其他考虑因素还包括磨损和不断变化的配置,这要求传感器件具有一定程度的灵活性。
 
本文将介绍角度传感器的作用,并展示如何使用磁输入和传感器元件的特定组合来自定义位置感测特性(例如速度和低延迟)。然后介绍AKM Semiconductor、Infineon Technologies和Monolithic Power Systems的传感器解决方案示例,并讨论它们的实现。


角度传感器的作用



角度传感器可用于感测电机轴的位置和速度变化,实现汽车的转向角感测和机器人系统中的高精度控制。它们通过检测所施加磁场的方向并测量其正弦和余弦分量,来确定旋转轴上径向磁化圆柱体的绝对角位置。由于轴可能会高速旋转,因此需要以最小的延迟快速获取和处理来自传感器的数据,这一点至关重要。
 
通常使用四种磁性技术之一:霍尔效应、各向异性磁阻 (AMR)、巨磁阻 (GMR) 和隧道磁阻 (TMR)(图1)。在使用其中任意一种技术时,设计人员都必须首先根据特定参数(例如磁属性、传感器规格和组装公差),确定从磁铁表面到传感器的合适距离。

图 1:当磁铁在TMR传感器上旋转时,感测元件的电阻会随旋转角度而变化。(图片来源:Digi-Key Electronics)
 
该气隙必须与磁铁尺寸和剩磁(也称为剩余磁化强度)之类的参数保持一致。设计人员还必须确保气隙变化不会导致磁场过弱或过强。这需要仔细考虑适合应用气隙的磁铁(图2)。

图2:设计人员可以根据多种设计考虑因素选择磁铁与传感器的相对位置,例如所需的抗外部磁场干扰能力和气隙公差。(图片来源:Monolithic Power Systems)
 
不过,角度传感器可以支持广泛的空间配置和磁场强度,包括离轴或侧轴安装和轴端配置。为了帮助适应变化,使用片载非易失性存储器存储配置参数,例如参考零角度位置、ABZ编码器设置以及电机绕组的相位信息。
 
接着,该器件能够检测各种磁场强度,从而使开发人员能够针对特定功能(例如诊断和轴向运动感测)定制角度传感器。获取可编程磁场强度阈值还有助于实现输出为两个逻辑信号的推挽按钮功能。
 
不过,尽管速度、低延迟和分辨率等特性均依赖于应用要求,但安全性才是角度传感器设计的核心。功能安全标准合规性进一步证实了对汽车和工业设计环境的承诺,而这些环境对于准确性和可靠性的要求非常严格。
 

符合功能安全要求



汽车应用中使用的角度传感器需要达到乃至0.1˚的高精度,有助于确保在面对非常苛刻的操作环境时符合ISO 26262功能安全标准。这些传感器的应用包括用于泵、雨刷器、制动器、阀、挡板、踏板和转向角的无刷直流 (BLDC) 电机中的位置测量。0.1˚的精度适用于整个温度范围和产品生命周期。此外,在介于10mT和20mT之间的低磁通密度下(此时角度误差显著增加),用于汽车和工业设计的角度传感器仍必须实现低至0.2°的角度误差。
 
此外,角度传感器应该易于集成到安全关键型设计中,例如电动助力转向 (EPS) 系统,它们对于自动停车和车道保持等自动驾驶功能而言至关重要。
 
为了满足易用性要求,Infineon的XENSIV TLE5109TLE5014角度传感器提供了单芯片和双芯片版本,并将感测和逻辑元件都集成在一个芯片上(图3)。双芯片版本更适合ASIL-D安全应用。

图3:安全关键型应用所用的双芯片角度传感器(右图)的侧视图(左图),该传感器使用上下放置来缩小空间,并通过使用低成本的铁氧体磁性材料来节省成本。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5109A16E2210XUMA1属于高精度AMR快速模拟角度传感器系列产品,误差角仅为0.1°。尽管基于AMR的角度传感器专为180°角度测量而设计,但它们也适用于具有偶数极对的电机中的360°测量,因为AMR感测元件实际上可测量双角度,即正弦和余弦(图4)。由于它们的角度误差很小,因而适用于各种磁通密度范围介于10mT到500mT以上的磁场。
 
图4:基于AMR的角度传感器专为180°角度测量而设计,但由于它能测量正弦和余弦角度,因此也可用于完整的360°角度测量。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5109角度传感器采用3.3V或5V电源供电。其他特性包括介于40µs到70µs之间的短启动时间,以确保最小的延迟并支持每分钟30,000转以上的速度。
 
TLE5014C16XUMA1是GMR传感器系列之一,可通过将所需的配置存储在板载EEPROM中进行编程,以满足广泛的应用需求(图5)。这些传感器还提供包括PWM、SENT、SPC和SPI在内的多种接口选择,从而提高灵活性和易用性。
 
图5:预先配置和预先校准的TLE5014角度传感器具有灵活的编程能力,可适应任何使用板载 EEPROM 的应用。(图片来源:Infineon Technologies)
 
TLE5014角度传感器通常从高达26伏(绝对最大值)的电源电压吸收25毫安 (mA) 电流,其单芯片版本符合ISO 26262 ASIL-C标准,双芯片版本符合ISO 26262 ASIL-D标准。
 

关键性能参数


 
为了充分实现角度传感器的功能,以减少可闻噪声并优化电机的平滑度和扭矩,设计人员应仔细考虑以下关键参数:精度、速度、延迟、轴向错位和磁铁漂移。
 
例如,尽管环境条件恶劣,但高精度读数对于汽车和工业环境至关重要。这使得热稳定性和气隙公差等因素对于角度传感器能否满足精度目标,同时不增加系统设计的成本和复杂性至关重要。
 
为了以最低的成本满足此类要求,Monolithic Power Systems的MagAlpha磁性位置传感器MA302GQ-PMA702GQ-P/Z和MA730GQ-Z可以安装在板的边缘,以用于轴端和侧轴(离轴)配置。在速度方面,凭借非接触式感测和12位分辨率绝对角度编码器,MA302传感器能够提供0rpm至60,000rpm的准确角度测量。MagAlpha MA730GQ-Z具有14位分辨率,并通过SPI链路提供数字读数(图6)。
 
图6:非接触式MagAlpha MA730GQ-Z具有14位分辨率,并通过SPI链路提供数字读数。(图片来源:Monolithic Power Systems)
 
不过,针对慢速操作(例如转速保持在200rpm以下的人机界面 (HMI) 或手动控制),该公司还提供了MagAlpha MA800,这是一种数字磁传感器,旨在取代模拟电位计或旋转开关。它与直径2mm至8mm的磁化圆柱体一起使用,具有灵活的磁铁配置和形状。
 
MA800具有较低的分辨率(8位),但具有片载非易失性存储器和可编程的磁场强度阈值。这些特性使其非常适合需要通过寄存器位以及输出信号来实现按钮读数的应用。
 

零延迟角度传感器



AK7451是一种12位角度传感器,可通过测量磁场强度来检测角速度和旋转角度。它具有平行于IC表面运行的磁铁组合,同时还提供高达20,000rpm的跟踪速度。在检测到平行于IC表面的磁场矢量后,它会输出磁铁的绝对角位置,然后输出相对角位置。
 
AK7451采用跟踪伺服系统架构,以确保零延迟旋转角度感测。零延迟角度传感器可以输出多达八极UVW绕组相位(图7),从而大幅提高了其通用性,使其可用于各种各样的电机驱动器和编码器应用。
 
图7:AK7451可让设计人员通过EEPROM来编程16种ABZ输出分辨率设置以及8种UVW输出脉冲数量设置。(图片来源:AKM Semiconductor)
 
此外,ABZ相位输出分辨率设定还从4种扩展至16种,增强了电机控制的适用性。它还使AK7451角度传感器无需安装霍尔IC,便可在直流无刷电机驱动的操作中保障转子位置检测。
 
在这里,值得一提的是,对于一些位置感测应用而言,延迟并不是关键问题。例如,在电动助力转向 (EPS) 手工滚轮角度感测中,每毫秒 (ms) 都会请求一个新的角度值。另外,区分由传感器IC和磁输入引起的误差也很重要,以便使用角度传感器IC来补偿与磁输入有关的误差。
 

总结



虽然更高的精度和更小的外形尺寸在很大程度上推动了汽车和工业应用中的角度传感器功能,但功能安全标准合规性概括了这些高精度器件的总体价值主张。但为了充分利用其功能,设计人员需要仔细考虑特定的应用要求,明确各种性能参数,例如适当的气隙、磁场强度、角速度和角度误差等。
 
如上所述,在建立这些要求后,便可使用各种各样的非接触式传感器来提供必要的精度、速度和可编程的灵活性,从而满足这些要求。



磁力计 / 磁传感器 / 罗盘品牌列表

laoguo 发表了文章 • 0 个评论 • 1459 次浏览 • 2020-06-10 19:57 • 来自相关话题

中国-矽睿科技(QST)三轴地磁传感器:QMC6310,QMC5883L,QMC783,QMC6983


    无锡美新(MEMSIC)
    明皜传感(MiraMEMS)
    江苏多维(dowaytech)
    旭化成微电子(AKM Semiconductor)
    Allegro
    Micronas
    Melexis
    爱知制钢(Aichi Steel)
    雅马哈(Yamaha)
    阿尔卑斯电气有限公司(Alps Electric)
    意法半导体(ST Microelectronics)
    Amotech
    飞思卡尔(Freescale)
    霍尼韦尔(Honeywell)
    松下(Panasonic)
    精量电子(Measurement Specialties)
    英飞凌(infineon)
    Baolab
    mCube


美国-PNI公司:

地磁传感器套件RM3100(包括专用驱动芯片13156,Sen-XY轴地磁传感器13104,Sen-Z Z轴传感器13101)


台湾-爱盛科技(isentek): http://www.isentek.com/

三轴AMR地磁传感器

        消费级产品线:IST8305,IST8306,IST8315

        工业级产品线:IST8307,IST8308,IST8310,IST8308A

AMR电流传感器:IST8110,ICSM1000(模块)

角度传感器:IST8210(180度)