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

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).

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).

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).

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°.

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).

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;
• малое смещение мостовых магниторезисторов;
• 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.

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°).

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.

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).

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).

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.

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).

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.