磁阻傳感器在汽車(chē)中的應用研究

磁阻效應支持汽車(chē)內的多種傳感器應用。磁阻傳感器主要用來(lái)測量機械系統的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機械元件所組成的復雜系統的一部分。因為所有元件都會(huì )影響系統的反應，所以在規劃系統及其操作時(shí)要非常重視對整個(gè)系統的仿真。下面重點(diǎn)討論這種系統的建模和仿真。

　　產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁體的機械設計和選擇會(huì )在很大程度上影響測量數據的獲取。因此，在部署整個(gè)系統之前使用仿真技術(shù)進(jìn)行深入分析非常重要，以確保達到目標功能并降低成本。因此，在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中建立系統模型，之后用于支持后續產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，對于解決設計過(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建模和仿真。

　　圖 1 AMR 傳感器系統包含兩個(gè)封裝

　　圖 2 各向異性磁阻效應

　　信號檢測

　　現代傳感器系統主要由兩個(gè)元件組成 —基本傳感器和信號處理專(zhuān)用集成電路 (ASIC)(圖 1)?，F已證明，后來(lái)由 Lord Klevin 于 1857 年發(fā)現的各向異性磁阻效應特別適用于檢測磁場(chǎng)。首先考慮通常具有多種磁疇結構的鐵磁性材料。這些稱(chēng)之為韋斯磁疇的結構，其內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，可較精確地假設只存在一個(gè)磁疇。當這種元件暴露于外部磁場(chǎng)中時(shí)，后者會(huì )改變內部磁化矢量的方向。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。當電流和磁化方向彼此成直角時(shí)，電阻最小，當二者平行時(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)也決定對溫度的依賴(lài)性。電阻最大變化為 2.2% 并且對溫度變化反應良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器系統中的基本傳感器都采用這種強磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨配置幾個(gè) AMR 電阻，以增強輸出信號并改善溫度反應特性。此電路也可在制造過(guò)程中進(jìn)行微調。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。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 傳感器可檢測北極和南極之間的變化。如果是被動(dòng)輪，則由一種齒狀結構代替磁化。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(zhù)稱(chēng)的被動(dòng)編碼器輪。當傳感器對稱(chēng)地面對一個(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，則磁輸入信號達到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類(lèi)型的函數結果與磁輸入信號正弦曲線(xiàn)的最小值或最大值非常接近。