巨磁阻传感器原理及其应用

传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。英飞凌是少数几个同时掌握磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。 

磁性传感器广泛应用于现代汽车中，如速度检测，角度检测，位置检测，电流检测等。根据磁性感应原理，可分为霍尔原理及磁阻原理。其中磁阻式根据原理又可分为常磁阻效应（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各项异性磁阻效应（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效应（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效应（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效应（Giant Magneto impedance，GMI）以及特异磁阻效应（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。 

目前磁性传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。英飞凌是少数几个同时掌握有以上磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。 

相比于霍尔效应和各项异性磁阻效应，巨磁阻效应具有更好的灵敏度,更小的噪声以及气隙表现,非常适合汽车领域中需要高精度以及较大工作气隙要求的应用。目前英飞凌巨磁阻系列传感器涵盖速度及角度应用，本文主要介绍巨磁阻传感器原理及其在速度检测和角度检测方面应用。 

集成巨磁阻原理 

所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得•格林贝格（Peter Grünberg）和艾尔伯•费尔（Albert Fert）分别独立发现，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。 

巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决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，则电子散射率就低，穿过磁性层的电子就多，从而呈现低阻抗。反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时，电子散射率高，因而穿过磁性层的电子较少，此时呈现高阻抗。 

如图1所示，两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头代表磁性材料磁化方向，灰色箭头代表电子自旋方向，黑色箭头代表电子散射。左图表示两层磁性材料磁化方向相同，当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，因而呈现低阻抗。而右图表示两层磁性材料磁化方向相反，当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，因而呈现高阻抗。

 
图1:巨磁阻效应示意图

基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响。普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开。自由层磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变。

 
图2：巨磁阻磁性感应层结构

巨磁阻阻值由自由层和参考层之间磁场方向夹角决定，其电阻变化率如式2-1所示：

GMR传感器应用 

如上文所说,巨磁阻电阻值取决于自由层和参考层之间磁场方向夹角，自由层磁化方向会随着外界磁场方向改变而改变。巨磁阻传感器磁场工作区间如图3所示，当外界磁场强度超过|BK|时巨磁阻传感器工作在饱和区，此时自由层和参考层磁化方向平行，进一步增加外界磁场强度不会导致电阻值变化。当外界磁场强度范围在- BK  
图3:GMR磁场工作区间特性曲线

 

通常外界磁场强度BK为5mT时，巨磁阻阻值变化率在10%左右。磁场线性区间用于速度检测，而饱和区间则用于角度检测。 

1.速度检测 

巨磁阻速度传感器在汽车领域可以用于ABS、变速箱、凸轮和曲轴等速度及位置检测。 

巨磁阻传感器其感应单元由四个巨磁阻单元组成一个惠斯通电桥，如图4所示为惠斯通电桥结构，每一个半桥包含两个巨磁阻单元，两个半桥之间距离通常为2.5mm（为了适应较小齿距轮速目标轮，TLE5041PlusC差分感应单元间距离为2.0mm）用于产生差分速度信号。如果需要检测目标轮转动方向，则可以在正中间增加第5个巨磁阻单元。方向信号和速度信号存在90°的相位偏移,通过比较速度信号和方向信号之间相位,可以判断目标轮转向,从而输出相应PWM信息用来反映目标轮转动方向。 [page]

根据图4惠斯通电桥结构，很容易得出如下等式： 

差分速度信号Vsig=Vp-Vn=Vb*R4/（R3+R4）-Vb*R2/（R1+R2） 式3-1 

方向信号Vcenter=Icenter*R5 式3-2

 
图4:惠斯通电桥

磁性传感器通过检测磁场变化来检测目标轮速度以及方向, 而传感器感应面和目标轮之间磁场产生方式主要有两种:一种是针对非磁性轮应用，如图5左所示。对于这种非磁性轮应用，设计时需要在传感器背面集成磁铁,即背磁方式（Back Bias）。还有一种是磁性轮,如图5右所示。

 
图5:磁性速度传感器应用

根据磁性传感器感应原理，霍尔传感器感应垂直于霍尔感应单元的磁场，即Z轴磁场。而巨磁阻传感器则感应的是平行于巨磁阻感应单元的磁场，即X,Y轴磁场。对于一些非磁性轮应用时，需要使用背磁方案。背磁产生垂直于感应单元的磁场，当传感器靠近目标轮时，磁场受到目标轮影响而弯曲，从而产生巨磁阻传感器能够检测到的平行磁场。 

如前所述，巨磁阻传感器用于速度检测时，其磁场工作区间为线性区间，线性区间工作磁场强度大约在±5mT，因此在使用背磁方案时需要有磁路抑制技术用以减少平行磁场强度，避免巨磁阻感应单元达到饱和。 

为了更方便巨磁阻速度传感器在非磁性轮的应用,英飞凌也提供集成背磁版本（Integrated Back Bias）的巨磁阻速度传感器,其背磁方式采用具有英飞凌相关专利技术的磁路抑制方案。 

另外对于曲轴和凸轮轴等应用除了需要速度信息外，有时候还需要传感器提供位置信息。对于这类应用，需要特别注意的一点就是不能直接用巨磁阻传感器去替换霍尔传感器。因为根据其感应原理，差分式霍尔传感器信号在齿中切换，而巨磁阻传感器则在齿边沿切换。所以两种感应原理应用时存在着一定的相位偏移，这种相位偏移是不能够通过传感器硬件方式改变，只能通过软件方式进行调整。 

相比于霍尔传感器，在速度检测方面巨磁阻传感器具有如下优点： 

-更好相位精度及重复精度 
-更高的灵敏度 
-优异的气隙表现 
-体积小 
-更好的抗噪声能力 
-工作温度范围更广 
-成本低：可以使用便宜的磁性材料如铁磁性材料，相比霍尔传感器常用到的钕铁硼、钐钴等稀土材料，能减少相应成本。 

2.角度检测 

当巨磁阻传感器工作在磁场饱和区时可用于角度检测，巨磁阻感应单元阻值会随着外界磁场方向改变而改变。如图6所示为巨磁阻角度传感器感应单元结构，四个独立的巨磁阻感应单元组成一个惠斯通电桥，箭头方向代表参考层磁化方向。对于单核角度传感器总共有两个惠斯通电桥分别用来检测磁场正弦和余弦变化。其中VX代表输出余弦信号，而VY代表输出正弦信号。正弦或者余弦信号只能检测180°范围，通过正弦和余弦信号求正切值，再反正切计算后便可以检测360°范围的角度变化。 

对于一些需要提供冗余设计的系统，英飞凌提供双核版本角度传感器。双核版本角度传感器其感应单元组成的惠斯通电桥组在结构上平行于感应平面X,Y轴，同心轴向垂直于Z轴，其巨磁阻感应单元结构大小相同，仅仅在Z轴方向存在一定气隙。这样的设计能够很好地确保同一感应平面上磁场变化方向相同，更好地保证了双核角度传感器数据准确性以及可靠性。

 
图6：巨磁阻角度传感器感应单元

为了满足不同角度检测应用，英飞凌巨磁阻角度传感器系列提供多种型号以满足不同需求。比如TLE5009输出正弦和余弦模拟量，而TLE5011输出正弦和余弦数字量。而TLE5012B则能够输出处理后的角度值，通过SPI协议输出角度以及速度信息，并针对不同应用还可提供IIF，HSM，PWM，SPC等接口。 
巨磁阻角度传感器需要工作在合适的磁场强度，以TLE5012B为例，工作在-40℃至150℃下外部磁场强度规定为30mT至50mT范围。外部磁场强度过小或者过大都会增加额外的角度误差。如图7所示，绿色代表外部磁场，蓝色代表自由层磁化方向，红色代表参考层磁化方向。当外部磁场强度太弱时，会导致自由层磁化方向不能够很好地对齐外部磁场方向。当外部磁场强度太强时，会影响到参考层磁化方向。外界磁场强度过强并不会造成芯片的损坏，只是会影响检测精度，当外界磁场强度恢复到规定范围内时，检测精度又能够恢复到正常范围。

 
图7：外部磁场强度对巨磁阻角度传感器影响

总结