Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №7

Современные AMP датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей

Борисов Александр


В настоящее время все большее применение находят анизотропные магниторезистивные датчики, предназначенные для решения различных задач — бесконтактного измерения скорости и направления вращения зубчатых колес и многополюсных магнитных роторов энкодеров, определения угла поворота или величины линейного перемещения, бесконтактного измерения тока (мощности), а также для определения курса объекта по магнитному полю Земли в магнитометрии.

В статье приводится обзор элементной базы современных АМР-датчиков, выпускаемых ведущими мировыми лидерами в этой области — Philips, Honeywell, HL-Planartechnik.

Анизотропные магниторезистивные датчики характеризуются высокой чувствительностью, обеспечивают высокие уровни первичного сигнала, широкий рабочий температурный диапазон, прочность, надежность и точность работы. Кроме того, они отличаются малым смещением и значительной нечувствительностью к магнитным и механическим допускам, что используется для создания разнообразных датчиков различных сфер применения, в частности, для автоэлектроники, промышленности и навигационных систем.

Принцип действия АМР-датчиков основан на применении анизотропного магнитного эффекта, то есть на способности магниторезистивного материала, например пермаллоевой (NiFe) пленки, изменять сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего тока и вектора преимущественной намагниченности магнитных доменов пленки. Внешнее магнитное поле H поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол α, значение которого зависит от направления и значения такого поля. При этом сопротивление пленки изменяется по формуле, приведенной на рис. 1. Согласно этой формуле углу α = 90° соответствует минимальное сопротивление пленки, углу α = 0° (в отсутствие поля) — максимальное значение сопротивления, равное базовому сопротивлению (R0), к которому прибавляется максимальное ΔR, составляющее обычно 2–3%. (В отсутствие магнитного поля направление тока и направление вектора намагниченности пермаллоя параллельны друг другу, а при увеличении напряженности поля H угол α увеличивается, а сопротивление R уменьшается на максимальную величину ΔR, зависящую от свойств материала пленки).

Рис. 1. Принцип магниторезистивного эффекта
Рис. 1. Принцип магниторезистивного эффекта

Данная характеристика зависимости сопротивления нелинейна и неуникальна, другими словами, она не зависит от направления действия поля напряженностью H в плане датчика.

Рассмотрим упрощенную схему конструктива такого датчика (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная схема конструктива АМР-датчика
Рис. 2. Упрощенная схема конструктива АМР-датчика

На полупроводниковую подложку по тонкопленочной технологии наносят слой чувствительного материала (пермаллоя) в виде полоски так, чтобы ее геометрические размеры удовлетворяли следующему условию: d<b<<l, где d — толщина, b — ширина и l—длина полоски. При выполнении этого условия вектор намагниченности пленки М будет иметь преимущественное направление вдоль полоски, совпадающее с направлением тока в отсутствие внешнего поля или достижимое за счет приложения внешнего смещающего и насыщающего поля (например, от обмотки или постоянного магнита).

Рис. 3. Пример использования сплошной полоски пермаллоя
Рис. 3. Пример использования сплошной полоски пермаллоя
Рис. 4. Функция R = f (Hy) для сплошного слоя пермаллоя
Рис. 4. Функция R = f (Hy) для сплошного слоя пермаллоя

При использовании сплошной чувствительной полоски слоя (как показано на рис. 3 желтым цветом), сопротивление датчика в зависимости от направления намагниченности будет меняться нелинейно (рис. 4). Хотя схема и позволяет детектировать углы поворота дипольного магнита, датчик такой конструкции не рекомендуется для измерений, особенно для слабых полей и в магнитометрии, поскольку имеет следующие основные недостатки:

  • низкая чувствительность;
  • нелинейность;
  • не позволяет определить направление поля.

Чтобы избавиться от этих недостатков, используют чувствительные элементы, состоящие из магниторезистивных пленок пермаллоя, осажденных на кремниевую пластину в виде полосок (рис. 5). Четыре резистора, каждый из которых выполнен, как показано на рис. 5, включаются в мостовую схему. Сопротивление резистора в зависимости от направления намагниченности будет меняться линейно (рис. 6). Это достигается за счет метода, называемого смещением зазубренных участков. Согласно этому методу на пути тока замещаются шунтирующие полосы с низким сопротивлением — из алюминия или серебра. Причем начальная ориентация вектора намагничивания M сформирована параллельно длине мостового резистора. Благодаря расположению полос под углом 45° к длине пленки, ток, выбирая кратчайший путь, на пермаллоевых участках течет также под углом 45°.

Рис. 5. Технология с включением шунтирующих полос в слой пермаллоя
Рис. 5. Технология с включением шунтирующих полос в слой пермаллоя

В результате применения данного метода выполняется поворот тока и достигается изменение в сопротивлении под действием внешнего магнитного поля, зависящее от его направления в пределах ярко выраженного линейного участка (рис. 6).

Рис. 6. Функция R = f(Hy) для не сплошного слоя пермаллоя
Рис. 6. Функция R = f(Hy) для не сплошного слоя пермаллоя

В мостовой схеме одна пара диагональных элементов моста включает шунтирующие полосы, которые расположены под углом +45° к оси полосы, другая пара — под углом –45°. Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием поля соответствует равному уменьшению второй пары. Результирующий дифференциальный сигнал является линейной функцией амплитуды внешнего магнитного поля, нормального к оси полосы в ее плоскости.

Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке наподобие лабиринта.

Поэтому мостовые датчики в исполнении с зазубренными полосами рекомендуются для многих измерений — скорости, углов, тока, а также подходят для измерений слабых полей. Их основные характеристики:

  • высокая чувствительность;
  • линейность;
  • возможность определить направление поля.

Конкурентами АМР-датчиков в задачах измерений скорости, положения и тока являются датчики Холла. Если сравнивать эти датчики, окажется, что магниторезистивные имеют ряд основных преимуществ:

  1. действует направление поля вместо величины поля, как в эффекте Холла — широкий выбор магнитов для измерений, независимо от их остаточной намагниченности (но в пределах насыщающих значений поля);
  2. действие в зоне насыщенности напряженности поля датчика означает:
    • независимость от магнитного дрейфа во времени и под действием температуры;
    • независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком);
    • независимость от температурных эффектов за счет вычисления функции арктангенса в угловых измерениях;
  3. малое смещение мостовых магниторезисторов;
  4. магниторезистивные мостовые датчики после компенсации температурно стабильны и имеют расширенный температурный диапазон (–40…160 °C).

Указанные преимущества магниторезистивных датчиков особенно полезны в автомобильных применениях, в условиях жесткой эксплуатации, которая характеризуется повышенной загрязненностью, перепадами температур, повышенными механическими вибрациями.

Высокая чувствительность позволяет также использовать АМР-датчики для измерения слабых полей в навигационных системах, где эффект Холла обычно не применяется.

Рассмотрим работу магниторезистивных датчиков на примерах измерения различных параметров.

Измерение частоты вращения

Принцип измерения частоты изображен на рис. 7. Напряжение V с выхода сенсорного элемента датчика изменяется в зависимости от положения зубца ферромагнитной шестерни. В схеме обработки выходного сигнала напряжения с компаратором на выходе компаратора будут получены прямоугольные импульсы напряжения или тока частотой, пропорциональной числу зубьев шестерни.

Рис. 7. Принцип измерения частоты
Рис. 7. Принцип измерения частоты

Датчики частоты вращения применяются в автоэлектронике (АБС, КПП, скорость автомобиля), в стиральных и посудомоечных машинах, робототехнике.

Измерение углов вращения

Принцип измерения углов показан на рис. 8. На торце вала крепится дипольный магнит. При повороте магнитного вектора на угол α изменяется сопротивление и выходное напряжение датчика, по изменению которого можно определить угол поворота вала и направление (в пределах ±45°).

Рис. 8. Принцип измерения полярной угловой координаты
Рис. 8. Принцип измерения полярной угловой координаты

Для того чтобы измерять угол поворота в пределах ±90°, объединяют два датчика, смещенных друг относительно друга на 45°. Данный принцип поясняется на рис. 9 и 10.

Рис. 9. Измерение углов в диапазоне ±45°
Рис. 9. Измерение углов в диапазоне ±45°
Рис. 10. Измерение углов в диапазоне ±90°
Рис. 10. Измерение углов в диапазоне ±90°

Датчики углов используются в автоэлектронике (для измерения углов поворота дроссельной заслонки, педали газа, положения сидений, корректора фар), а также в посудомоечных машинах, вильчатых подъемниках, в робототехнике.

Измерение слабых полей

Основная сфера применения датчиков слабых полей — измерение магнитного поля Земли (компасы, навигация, детекторы движения, компенсация влияния поля Земли, например в телевизионной технике). Для построения двухосевого компаса необходимо использовать два сенсорных АМР-элемента, расположенных под углом 90° друг к другу.

Элементная база современных АМР-датчиков

На рынке представлены магниторезистивные датчики многих производителей. Рассмотрим продукцию основных игроков — Philips Semiconductors, Honeywell и HL-Planartechnik.

Компания Philips Semiconductors выпускает датчики частоты вращения, углов и датчики слабых магнитных полей (табл. 1).

Таблица 1. Датчики измерения частоты вращения фирмы Philips Semiconductor
Таблица 1. Датчики измерения частоты вращения фирмы Philips Semiconductor

Для измерения частоты вращения предназначаются датчики KMI15, KMI16.

Варианты датчиков для работы с ферромагнитным зубчатым ротором поставляются в комплекте со смещающими и стабилизирующими магнитами, для работы с многополюсными магнитами — с малыми магнитами для стабилизации.

Кроме того, компания Philips разработала датчики KMI18, KMI20 и KMI22, обладающие улучшенными характеристиками (зазор более 3,5 мм), дополнительной функциональностью и улучшенной электромагнитной совместимостью, вместе со сниженными размерами смещающего магнита со стабилизирующим подмагничиванием для ферромагнитных роторов в некоторых вариантах.

Для измерения углового положения в диапазоне 180° компания Philips предлагает датчики KMZ41, KMZ43 и KMA200. По сравнению с KMZ41 датчик KMZ43 характеризуется меньшим значением напряженности насыщающего поля (всего 25 кА/м).

Для обработки сигналов с датчиков KMZ41, KMZ43 рекомендуется использовать чипы UZZ9000 и UZZ9001. Например, такая связка, как KMZ41/UZZ9000, позволяет добиться следующих результатов:

  • аналоговый выход;
  • высокая точность:
    • абсолютная ошибка: 0,6–1,2° (зависит от температуры);
    • относительная ошибка: < 0,6%;
    • разрешение: > 0,05°.

Самым передовым из датчиков углового положения компании Philips является датчик KMA200. Он содержит не только чувствительные элементы, но и сигнальный процессор. Его основные характеристики:

  • защита от повышенного напряжения питания до 16,5 В;
  • максимальное превышение напряжения до 32 В (в течение 400 мс);
  • отключение функций при превышении напряжения;
  • 4 аналоговых и 2 цифровых выхода (конфигурируемых пользователем);
  • разрешение 13 бит (0,022°);
  • рабочие температуры –40…160 °C;
  • EEPROM (программируемая пользователем);
  • 32-битный идентификатор;
  • программируемый диапазон измеренияуглов;
  • автоматическая настройка смещения нуля.

К тому же KMA200 обладает диагностическими свойствами:

  • контроль потери магнита;
  • контроль температуры;
  • CRC для EEPROM и RAM;
  • детектор сбоя генератора;
  • сторожевой таймер.

KMA200 рекомендуется для контроля углового положения дросселя и педалей в автомобиле. Стоит упомянуть, что в последних моделях автомобилей BMW используются именно датчики KMA200. Сейчас в разработке находится микросхема KMA199, которая будет стоить в два раза дешевле KMA200, за счет отсутствия в ней некоторых функций. Массовое производство KMA199 планируется начать в IV квартале 2006 года.

Для измерения слабых магнитных полей компания Philips рекомендует сенсоры KMZ51, KMZ52 и KMZ10. Например, на основе чипа KMZ52 очень легко создать цифровой компас, а на сайте Philips есть рекомендации по его созданию.

HL-Planartechnik GmbH — одна из ведущих фирм, выпускающих АМР-датчики, предназначенные для систем измерения магнитного поля Земли, угла поворота, измерения расстояния, тока в составе различных измерительных систем.

Для измерения угловой координаты предлагаются датчики серии KMT (табл. 2).

Таблица 2. Магниторезистивные датчики угла фирмы HL-Planartechnik
Таблица 2. Магниторезистивные датчики угла фирмы HL-Planartechnik

Типичное для достижения эффекта АМР с интегральными датчиками HL-Planartechnik магнитное поле характеризуется небольшой величиной напряженности более 25 кА/м, или 8–25 кА/м, но со сниженной точностью, с датчиком КМТ 32 В.

HL-Planartechnik разработала и запатентовала уникальный датчик KMR 360, включающий три моста Уитстона с механическим фазовым смещением углового расположения в 120°, предназначенный для детектирования углов в диапазоне до 360°. Многие магниторезистивные датчики тока фирмы HL-Planartechnik используются для измерения постоянного и переменного тока в диапазоне до 20 А (табл. 3). Для этого предусмотрен одиночный мостовой сенсорный элемент, который измеряет магнитное поле, возникающее вокруг проводника при протекании электрического тока. Напряженность данного поля прямо пропорциональна силе тока. На этом эффекте и основаны измерения.

Таблица 3. Магниторезистивные датчики тока фирмы HL-Planartechnik
Таблица 3. Магниторезистивные датчики тока фирмы HL-Planartechnik

Магниторезистивные линейные датчики HL-Planartechnik GmbH служат и для измерения слабых магнитных полей напряженностью менее 3 кА/м. Чувствительность и ширина рабочего диапазона регулируются за счет вспомогательного магнитного поля, образованного посредством дополнительного постоянного магнита. Для стандартных применений фирма HL-Planartechnik GmbH предлагает датчики со встроенными в корпус магнитами, например для детектирования и регистрации положения постоянных магнитов при относительно больших расстояниях между ними. Для регистрации быстрых изменений магнитного поля предназначены полумостовые датчики с интегрированным вспомогательным магнитом (табл. 4).

Таблица 4. Датчики магнитных полей фирмы HL-Planartechnik
Таблица 4. Датчики магнитных полей фирмы HL-Planartechnik
Таблица 5. Датчики определения угла поворота
Таблица 5. Датчики определения угла поворота
Таблица 6. Одноосевые датчики
Таблица 6. Одноосевые датчики
Таблица 7. Двухосевые датчики
Таблица 7. Двухосевые датчики
Таблица 8. Трехосевые датчики
Таблица 8. Трехосевые датчики
Таблица 9. Двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем
Таблица 9. Двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем
Таблица 10. Магниторезистивные сборки для систем навигации
Таблица 10. Магниторезистивные сборки для систем навигации

Компания Honeywell представляет самую широкую номенклатуру магниторезистивных датчиков, включая датчики угла поворота HMC1501/ HMC1512 и омниполярные датчики 2SS52M/SS552MT для различных применений. Наиболее широкую линейку АМР-датчиков Honeywell представляют компасы:

  • одноосевые датчики;
  • двухосевые датчики;
  • трехосевые датчики;
  • двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем;
  • магниторезистивные сборки для систем навигации.

Номенклатура и основные параметры датчиков Honeywell приведены в таблицах 5–10.

Рассмотренные в данной статье типичные задачи и решения, предлагаемые ведущими мировыми лидерами, отражают вполне стандартные и реальные возможности, доступные сегодня для разработчиков с текущим техническим уровнем элементной базы АМР-датчиков.

Литература

  1. www.sensorica.ru
  2. www.semiconductors.philips.com/products/sensors/index.html
  3. www.cms.hlplanar.de/index.php?spath=329&lan=1&
  4. www.ssec.honeywell.com/magnetic

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке