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巨磁阻傳感器原理及其應用

作者： 時(shí)間：2016-12-19 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
目前磁性傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域應用中主要有霍爾效應，各項異性磁阻效應，巨磁阻效應以及穿遂磁阻效應。英飛凌是少數幾個(gè)同時(shí)掌握磁性感應技術(shù)并應用于產(chǎn)品中的半導體公司之一。

磁性傳感器廣泛應用于現代汽車(chē)中，如速度檢測，角度檢測，位置檢測，電流檢測等。根據磁性感應原理，可分為霍爾原理及磁阻原理。其中磁阻式根據原理又可分為常磁阻效應（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各項異性磁阻效應（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效應（Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效應（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效應（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效應（Giant Magneto impedance，GMI）以及特異磁阻效應（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。

目前磁性傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域應用中主要有霍爾效應，各項異性磁阻效應，巨磁阻效應以及穿遂磁阻效應。英飛凌是少數幾個(gè)同時(shí)掌握有以上磁性感應技術(shù)并應用于產(chǎn)品中的半導體公司之一。

相比于霍爾效應和各項異性磁阻效應，巨磁阻效應具有更好的靈敏度,更小的噪聲以及氣隙表現,非常適合汽車(chē)領(lǐng)域中需要高精度以及較大工作氣隙要求的應用。目前英飛凌巨磁阻系列傳感器涵蓋速度及角度應用，本文主要介紹巨磁阻傳感器原理及其在速度檢測和角度檢測方面應用。

集成巨磁阻原理

所謂磁阻效應是指導體或半導體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現象，巨磁阻效應在1988年由彼得•格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯•費爾（Albert Fert）分別獨立發(fā)現，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。研究發(fā)現在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級厚度的非磁性材料分隔開(kāi)來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現象稱(chēng)為“巨磁阻效應”。

巨磁阻效應可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過(guò)磁性層的電子就多，從而呈現低阻抗。反之當自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過(guò)磁性層的電子較少，此時(shí)呈現高阻抗。

如圖1所示，兩側藍色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)兩層磁性材料，因而呈現低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)，但較難通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現高阻抗。


圖1:巨磁阻效應示意圖

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/331426.htm基于巨磁阻效應的傳感器其感應材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會(huì )受到外界磁場(chǎng)方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開(kāi)。自由層磁場(chǎng)方會(huì )隨著(zhù)外界平行磁場(chǎng)方向的改變而改變。


圖2：巨磁阻磁性感應層結構

巨磁阻阻值由自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角決定，其電阻變化率如式2-1所示：

GMR傳感器應用

如上文所說(shuō),巨磁阻電阻值取決于自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角，自由層磁化方向會(huì )隨著(zhù)外界磁場(chǎng)方向改變而改變。巨磁阻傳感器磁場(chǎng)工作區間如圖3所示，當外界磁場(chǎng)強度超過(guò)|BK|時(shí)巨磁阻傳感器工作在飽和區，此時(shí)自由層和參考層磁化方向平行，進(jìn)一步增加外界磁場(chǎng)強度不會(huì )導致電阻值變化。當外界磁場(chǎng)強度范圍在- BK
圖3:GMR磁場(chǎng)工作區間特性曲線(xiàn)

通常外界磁場(chǎng)強度BK為5mT時(shí)，巨磁阻阻值變化率在10%左右。磁場(chǎng)線(xiàn)性區間用于速度檢測，而飽和區間則用于角度檢測。

1.速度檢測

巨磁阻速度傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域可以用于A(yíng)BS、變速箱、凸輪和曲軸等速度及位置檢測。

巨磁阻傳感器其感應單元由四個(gè)巨磁阻單元組成一個(gè)惠斯通電橋，如圖4所示為惠斯通電橋結構，每一個(gè)半橋包含兩個(gè)巨磁阻單元，兩個(gè)半橋之間距離通常為2.5mm（為了適應較小齒距輪速目標輪，TLE5041PlusC差分感應單元間距離為2.0mm）用于產(chǎn)生差分速度信號。如果需要檢測目標輪轉動(dòng)方向，則可以在正中間增加第5個(gè)巨磁阻單元。方向信號和速度信號存在90°的相位偏移,通過(guò)比較速度信號和方向信號之間相位,可以判斷目標輪轉向,從而輸出相應PWM信息用來(lái)反映目標輪轉動(dòng)方向。
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