巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用

1、巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用日期：2013-11-15作者：何喜富，傳感器系統(tǒng)應(yīng)用工程師，英飛凌科技（中國）有限公司目前磁性傳感器在汽車領(lǐng)域應(yīng)用中主要有霍爾效應(yīng)，各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)，巨磁阻效應(yīng)以及穿遂磁阻效應(yīng)。英飛凌是少數(shù)幾個(gè)同時(shí)掌握磁性感應(yīng)技術(shù)并應(yīng)用于產(chǎn)品中的半導(dǎo)體公司之一。磁性傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中，如速度檢測(cè)，角度檢測(cè)，位置檢測(cè)，電流檢測(cè)等。根據(jù)磁性感應(yīng)原理，可分為霍爾原理及磁阻原理。其中磁阻式根據(jù)原理又可分為常磁阻效應(yīng)（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效應(yīng)（

2、Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效應(yīng)（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效應(yīng)（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效應(yīng)（Giant Magneto impedance，GMI）以及特異磁阻效應(yīng)（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。目前磁性傳感器在汽車領(lǐng)域應(yīng)用中主要有霍爾效應(yīng)，各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)，巨磁阻效應(yīng)以及穿遂磁阻效應(yīng)。英飛凌是少數(shù)幾個(gè)同時(shí)掌握有以上磁性感應(yīng)技術(shù)并應(yīng)用于產(chǎn)品中的半導(dǎo)體公司之一。相比于霍爾效應(yīng)和各項(xiàng)異性磁阻效應(yīng)，巨磁阻效應(yīng)具有更好

3、的靈敏度,更小的噪聲以及氣隙表現(xiàn),非常適合汽車領(lǐng)域中需要高精度以及較大工作氣隙要求的應(yīng)用。目前英飛凌巨磁阻系列傳感器涵蓋速度及角度應(yīng)用，本文主要介紹巨磁阻傳感器原理及其在速度檢測(cè)和角度檢測(cè)方面應(yīng)用。集成巨磁阻原理所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得格林貝格（Peter Grnberg）和艾爾伯費(fèi)爾（Albert Fert）分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約

4、高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。巨磁阻效應(yīng)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，穿過磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。如圖1所示，兩側(cè)藍(lán)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(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低

5、阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當(dāng)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時(shí)，電子較容易通過，但較難通過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(xiàn)高阻抗。圖1:巨磁阻效應(yīng)示意圖基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)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。自由層磁場方會(huì)隨著外界平行磁場方向的改變而改變。圖2：巨磁阻磁性感應(yīng)層結(jié)構(gòu)巨磁阻阻值由自由層和參考

6、層之間磁場方向夾角決定，其電阻變化率如式2-1所示：式2-1GMR傳感器應(yīng)用如上文所說,巨磁阻電阻值取決于自由層和參考層之間磁場方向夾角，自由層磁化方向會(huì)隨著外界磁場方向改變而改變。巨磁阻傳感器磁場工作區(qū)間如圖3所示，當(dāng)外界磁場強(qiáng)度超過|BK|時(shí)巨磁阻傳感器工作在飽和區(qū)，此時(shí)自由層和參考層磁化方向平行，進(jìn)一步增加外界磁場強(qiáng)度不會(huì)導(dǎo)致電阻值變化。當(dāng)外界磁場強(qiáng)度范圍在- BKB BK時(shí)，巨磁阻傳感器工作在線性區(qū)間，此時(shí)電阻線性變化。圖3:GMR磁場工作區(qū)間特性曲線通常外界磁場強(qiáng)度BK為5mT時(shí)，巨磁阻阻值變化率在10%左右。磁場線性區(qū)間用于速度檢測(cè)，而飽和區(qū)間則用于角度檢測(cè)。1.速度檢測(cè)巨磁阻速度

7、傳感器在汽車領(lǐng)域可以用于ABS、變速箱、凸輪和曲軸等速度及位置檢測(cè)。巨磁阻傳感器其感應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)較小齒距輪速目標(biāo)輪，TLE5041PlusC差分感應(yīng)單元間距離為2.0mm）用于產(chǎn)生差分速度信號(hào)。如果需要檢測(cè)目標(biāo)輪轉(zhuǎn)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(hào)和速度信號(hào)存在90的相位偏移,通過比較速度信號(hào)和方向信號(hào)之間相位,可以判斷目標(biāo)輪轉(zhuǎn)向,從而輸出相應(yīng)PWM信息用來反映目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)圖4惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，很容易得出如下等式：差分速度信號(hào)Vsig=Vp-

8、Vn=Vb*R4/（R3+R4）-Vb*R2/（R1+R2） 式3-1方向信號(hào)Vcenter=Icenter*R5 式3-2圖4:惠斯通電橋磁性傳感器通過檢測(cè)磁場變化來檢測(cè)目標(biāo)輪速度以及方向, 而傳感器感應(yīng)面和目標(biāo)輪之間磁場產(chǎn)生方式主要有兩種:一種是針對(duì)非磁性輪應(yīng)用，如圖5左所示。對(duì)于這種非磁性輪應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)需要在傳感器背面集成磁鐵,即背磁方式（Back Bias）。還有一種是磁性輪,如圖5右所示。 圖5:磁性速度傳感器應(yīng)用根據(jù)磁性傳感器感應(yīng)原理，霍爾傳感器感應(yīng)垂直于霍爾感應(yīng)單元的磁場，即Z軸磁場。而巨磁阻傳感器則感應(yīng)的是平行于巨磁阻感應(yīng)單元的磁場，即X,Y軸磁場。對(duì)于一些非磁性輪應(yīng)用時(shí)，需要

9、使用背磁方案。背磁產(chǎn)生垂直于感應(yīng)單元的磁場，當(dāng)傳感器靠近目標(biāo)輪時(shí)，磁場受到目標(biāo)輪影響而彎曲，從而產(chǎn)生巨磁阻傳感器能夠檢測(cè)到的平行磁場。如前所述，巨磁阻傳感器用于速度檢測(cè)時(shí)，其磁場工作區(qū)間為線性區(qū)間，線性區(qū)間工作磁場強(qiáng)度大約在5mT，因此在使用背磁方案時(shí)需要有磁路抑制技術(shù)用以減少平行磁場強(qiáng)度，避免巨磁阻感應(yīng)單元達(dá)到飽和。為了更方便巨磁阻速度傳感器在非磁性輪的應(yīng)用,英飛凌也提供集成背磁版本（Integrated Back Bias）的巨磁阻速度傳感器,其背磁方式采用具有英飛凌相關(guān)專利技術(shù)的磁路抑制方案。另外對(duì)于曲軸和凸輪軸等應(yīng)用除了需要速度信息外，有時(shí)候還需要傳感器提供位置信息。對(duì)于這類應(yīng)用，需要

10、特別注意的一點(diǎn)就是不能直接用巨磁阻傳感器去替換霍爾傳感器。因?yàn)楦鶕?jù)其感應(yīng)原理，差分式霍爾傳感器信號(hào)在齒中切換，而巨磁阻傳感器則在齒邊沿切換。所以兩種感應(yīng)原理應(yīng)用時(shí)存在著一定的相位偏移，這種相位偏移是不能夠通過傳感器硬件方式改變，只能通過軟件方式進(jìn)行調(diào)整。相比于霍爾傳感器，在速度檢測(cè)方面巨磁阻傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：-更好相位精度及重復(fù)精度-更高的靈敏度-優(yōu)異的氣隙表現(xiàn)-體積小-更好的抗噪聲能力-工作溫度范圍更廣-成本低：可以使用便宜的磁性材料如鐵磁性材料，相比霍爾傳感器常用到的釹鐵硼、釤鈷等稀土材料，能減少相應(yīng)成本。2.角度檢測(cè)當(dāng)巨磁阻傳感器工作在磁場飽和區(qū)時(shí)可用于角度檢測(cè)，巨磁阻感應(yīng)單元阻值會(huì)隨

11、著外界磁場方向改變而改變。如圖6所示為巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)，四個(gè)獨(dú)立的巨磁阻感應(yīng)單元組成一個(gè)惠斯通電橋，箭頭方向代表參考層磁化方向。對(duì)于單核角度傳感器總共有兩個(gè)惠斯通電橋分別用來檢測(cè)磁場正弦和余弦變化。其中VX代表輸出余弦信號(hào)，而VY代表輸出正弦信號(hào)。正弦或者余弦信號(hào)只能檢測(cè)180范圍，通過正弦和余弦信號(hào)求正切值，再反正切計(jì)算后便可以檢測(cè)360范圍的角度變化。對(duì)于一些需要提供冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，英飛凌提供雙核版本角度傳感器。雙核版本角度傳感器其感應(yīng)單元組成的惠斯通電橋組在結(jié)構(gòu)上平行于感應(yīng)平面X,Y軸，同心軸向垂直于Z軸，其巨磁阻感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)大小相同，僅僅在Z軸方向存在一定氣隙。這樣的設(shè)計(jì)能

12、夠很好地確保同一感應(yīng)平面上磁場變化方向相同，更好地保證了雙核角度傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及可靠性。 圖6：巨磁阻角度傳感器感應(yīng)單元為了滿足不同角度檢測(cè)應(yīng)用，英飛凌巨磁阻角度傳感器系列提供多種型號(hào)以滿足不同需求。比如TLE5009輸出正弦和余弦模擬量，而TLE5011輸出正弦和余弦數(shù)字量。而TLE5012B則能夠輸出處理后的角度值，通過SPI協(xié)議輸出角度以及速度信息，并針對(duì)不同應(yīng)用還可提供IIF，HSM，PWM，SPC等接口。巨磁阻角度傳感器需要工作在合適的磁場強(qiáng)度，以TLE5012B為例，工作在-40至150下外部磁場強(qiáng)度規(guī)定為30mT至50mT范圍。外部磁場強(qiáng)度過小或者過大都會(huì)增加額外的角度誤差。如圖7所示，綠色代表外部磁場，藍(lán)色代表自由層磁化方向，紅色代表參考層磁化方向。當(dāng)外部磁場強(qiáng)度太弱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自由層磁化方向不能夠很好地對(duì)齊外部磁場方向。當(dāng)外部磁場強(qiáng)度太強(qiáng)時(shí)，會(huì)影響到參考層磁化方向。外界磁場強(qiáng)度過強(qiáng)并不會(huì)造成芯片的損壞，只是會(huì)影響檢