揭秘无处不在的磁阻传感器

最近发现,原来MR(Magneto Resistance)磁阻传感器应用如此广泛,比如之前介绍的EPS系统中的扭矩检测,动力或BMS系统里面的电流检测,也覆盖还没介绍的发动机中的速度及相位检测

其中巨磁阻效应的发现者Albert Fert和 Peter Grunberg在2007 年,可是获得诺贝尔物理学奖

今天和大家做个分享,水平有限,欢迎大家留言讨论;

本文目录:

  • 磁阻的常见检测类别
  • 磁阻原理及类别简介
  • 磁阻传感器的构造
  • 磁阻传感器在系统的安装方式
  • 国内磁阻传感器厂商

1、磁阻的常见检测类别

磁阻应用于旋转角度检测

图片摘自 罗罗日记

磁阻应用于直线运动检测

图片摘自 罗罗日

磁栅编码器和磁旋转编码器

图片摘自 罗罗日

2、磁阻原理及类别简介

磁阻:材料的电阻会因外加磁场而增加或减少,电阻的变化量称为磁阻(Magnetoresistance)

磁阻效应:材料在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应,同霍尔效应如下图是AMR的原理,某些铁磁材料(比如坡莫合金)具备一种特别的属性,其电阻率随自身磁化强度电流方向夹角的改变而变化,当外部磁场施加到铁磁性材料上,在铁磁材料的长度方向上施加一个垂直于磁场的电流,铁磁材料自身阻值的变化可以转化为输出端电压的变化,如下图所示,其中红色X箭头处于+-90°时候,和电流方向同向,电阻此时最大;当处于0/180°C时候和电流方向垂直,电阻最小

在1980年代以后,MR经历了:

- AMR(各向异性磁阻效应:Anisotropic magnetoresistance effect)元件

- GMR(巨磁阻效应:Giant magnetoresistance effect)元件

- TMR(穿隧磁阻效应:Tunnel magnetoresistance effect)元件,

AMR/GMR/TMR的材料,结构和电流流动方向有所区分,结构和特点如下:

AMR仅由自由层薄膜构成,GMR和TMR由自由层薄膜和固定层(薄膜及其他相关薄膜构成。自由层可以被磁化,磁化方向和外磁场方向相关,固定层的磁化方向被固定,不随外部磁场变化而变化;GMR和TMR当磁化方向和固定层磁化方向相反时,电阻最大;当磁化方向和固定层磁化方向相同时,电阻最小

ARM/GMR/TMR的磁阻比例,输出电压及温度变化率如下

图片摘自 均敏电子

图片摘自 均敏电子

元件电阻的变化用MR比表示,从图中可以看到,GMR元件的MR比分别为3%,12%左右,而TMR元件甚至达到100%,TMR的灵敏度非常高,可以用于检测微弱的磁变化

3、磁阻传感器的构造

就像有了晶体管,集成电路就是晶体管的应用;同理,磁阻传感器和芯片一样,也是通过工艺设计出来的

以角度传感器为例,如下图,AMR磁阻角传感器在硅基板上蚀刻,四个坡莫合金条以惠斯通电桥结构排列,分别连接到传感器的VDD和GND

如下图,基于上文介绍的,AMR材料,磁场和电流同向时,AMR电阻最大;垂直时候,电阻最小;

图片摘自 罗罗日记

施加磁场后,磁阻元件R1、R4的电阻值将下降,惠斯通电桥的中点之间的电位将产生差异,且差分值与sin2α成比例如下图是Crocus 基于TMR的2D角度传感器 CT310的芯片示意图

而下图,为另一公司提供的磁阻角度传感器的更详细的电路架构图

图片摘自 可可电驱

4、磁阻传感器的安装示例

之前电动助力转向EPS文章的介绍,具体安装示意图如下

而常用的电机速度反馈,如下图

图片摘自 Allegro官网

5、国内磁阻传感器厂商

江苏真是一个藏龙卧虎的地方

多维科技:维科技是一家专注于磁阻传感的国内厂商,根据官网信息,目前在AMR、TMR路线上均有布局,AMR和TMR的产品非常丰富,拥有先进的8英寸磁传感器量产晶圆产线,磁阻传感器晶圆制造工艺也很成熟,目前共有200多款磁传感器芯片和模组产品。

苏州矩阵光电有限公司:专注于化合物半导体材料及芯片的研发、设计与制造。公司产品主要有:磁敏器件系列产品,主要应用于工业级及消费级电流/位移传感器,貌似产品以霍尔为主,磁阻的还没上线官网

传智能科技(常州)有限公司:一家集自主研发芯片、模块、系统于一体的传感器及物联网解决方案商,并拥有自主核心算法和整体应用方案的高科技公司。公司拥有优秀的传感器和ASIC芯片设计团队,各成员大多来自世界知名顶级公司,拥有自主的AMR技术、可靠的核心算法及应用方案,稳定的生产质量和供应链管控,是国内AMR磁传感器技术的领先者。

上海矽睿科技,成立于2012年,始终专注于高质量传感器产品的设计、制造、以及增值应用与服务,致力于成为以应用为导向的多传感器平台,提供智能、集成、经济的传感器解决方案

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