巨磁阻傳感的三種應(yīng)用模式Sisyphus

磁傳感器在很多領(lǐng)域都有著重要作用，作為一類大家熟知的傳感器類型，縱觀磁傳感器的發(fā)展，可以分為以下幾個(gè)階段，從霍爾效應(yīng)的磁傳感器，到各向異性磁阻效應(yīng)的AMR磁傳感器，到基于巨磁電阻的GMR磁傳感器，再到基于隧道磁阻的TMR磁傳感器。

巨磁阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)如果某種條件下物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率減小的幅度非常大，就稱為巨磁阻效應(yīng)。GMR傳感一般也采用橋式構(gòu)造，功耗、響應(yīng)時(shí)間、溫漂等傳感指標(biāo)和AMR傳感較為相近，但是磁電阻比會(huì)比AMR大很多，其磁電阻比ΔR/Rmin一般在15%左右。GMR因?yàn)楦叩募夹g(shù)門(mén)檻，比基于霍爾效應(yīng)的磁傳感以及基于各向異性磁阻效應(yīng)的AMR磁傳感更少見(jiàn)。

模擬輸出式GMR角度傳感應(yīng)用

角度傳感一直是磁性傳感器的重要應(yīng)用方向，從低端到高端，從標(biāo)準(zhǔn)化到專用于汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)類，GMR在其中都有很好的應(yīng)用場(chǎng)景。角度傳感器通過(guò)使用單片集成磁阻元件測(cè)量正弦和余弦角分量來(lái)檢測(cè)施加磁場(chǎng)的方向。GMR傳感器非常適合具有寬角度范圍的應(yīng)用，例如無(wú)刷直流電機(jī)或轉(zhuǎn)向傳感器。經(jīng)過(guò)預(yù)先校準(zhǔn)，GMR傳感可以立即使用，不同級(jí)別的信號(hào)處理集成使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化系統(tǒng)分區(qū)。

GMR角度傳感器在高溫下能否保持穩(wěn)定是應(yīng)用中常遇到一類問(wèn)題，電機(jī)高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致磁石的磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致傳感器輸出幅值下降。如果角度計(jì)算依靠幅值，幅值隨溫度變化而變化后，必然會(huì)影響角度精度。模擬輸出式的GMR角度傳感器可以計(jì)算通過(guò)振幅的比值Sin÷Cos來(lái)測(cè)算，那么即使高溫下的傳感器輸出幅值下降，但是振幅的比值幾乎不受溫度影響，計(jì)算后的角度精度也不會(huì)受到影響。

（角度精度不隨溫度變化，ALPSALPINE）

校正計(jì)算后的角度誤差和溫度變化帶來(lái)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化無(wú)關(guān)，能夠很好地適用于高溫環(huán)境下的角度應(yīng)用。

另一方面，高溫兼強(qiáng)磁場(chǎng)工況可能會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生額外的影響。強(qiáng)磁場(chǎng)在角度傳感器的45deg方向施加壓力，導(dǎo)致固定層的磁化方向產(chǎn)生反方向不可逆的變化，輸出相位差變差導(dǎo)致角度精度變差。

（GMR，英飛凌）

上面說(shuō)到，模擬輸出式的GMR角度傳感器正弦和余弦角度分量來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)方向，深耕GMR技術(shù)的廠商會(huì)在模擬輸出式GMR傳感的在固定層上做強(qiáng)化設(shè)計(jì)，減少正余弦路的相位差，增強(qiáng)對(duì)磁場(chǎng)壓力的耐受性，在發(fā)動(dòng)機(jī)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)附近等高溫環(huán)境必須使用超強(qiáng)磁場(chǎng)的工作磁石情況下，可以明顯增強(qiáng)對(duì)外部雜散磁場(chǎng)的容忍度。另外，模擬輸出式傳感器和磁石之間相對(duì)位置更自由，可以增加機(jī)械設(shè)計(jì)的靈活性。

開(kāi)關(guān)式GMR檢測(cè)

在高精度ON/OFF檢測(cè)上，開(kāi)關(guān)式GMR常與霍爾傳感器來(lái)比較。我們以電子鎖應(yīng)用為例，比較二者在ON/OFF磁滯以及偏移位置最大偏差，GMR在ON/OFF磁滯上大致在0.15mm，霍爾傳感器大概在0.5mm，偏移位置最大偏差相差得會(huì)更多一些，GMR在0.4mm左右，霍爾傳感器則為3.7mm。

GMR傳感器在開(kāi)關(guān)式輸出檢測(cè)上，靈敏度偏差更小一些，即便工作磁石磁場(chǎng)的變化梯度很陡峭，GMR也能完成高精度的運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)。同時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的觸點(diǎn)故障在高精度ON/OFF檢測(cè)中也總是為人詬病，GMR傳感更遠(yuǎn)的檢測(cè)距離能夠用于設(shè)計(jì)非接觸式開(kāi)關(guān)，對(duì)于磨損和顫動(dòng)導(dǎo)致的接觸不良也能起到作用。

磁編碼器式GMR的高速檢測(cè)

在高速檢測(cè)中，如果傳感器輸出響應(yīng)速度慢，會(huì)導(dǎo)致50%占空比無(wú)法實(shí)現(xiàn)；50%占空比出現(xiàn)偏差，轉(zhuǎn)速計(jì)算和旋轉(zhuǎn)方向檢測(cè)也會(huì)由于時(shí)序錯(cuò)配導(dǎo)致檢測(cè)精度惡化。如果僅從傳感器的層面考慮，GMR響應(yīng)速度是足夠的。

頻率上即便到100KHz，GMR Encoder仍然可以保持50%占空比的輸出。在常規(guī)的10KHz（4極磁石且轉(zhuǎn)速為100krpm）中，GMR可以保留充足的響應(yīng)速度余量。在高速旋轉(zhuǎn)檢測(cè)中，輸出響應(yīng)速度無(wú)疑有很好的表現(xiàn)。當(dāng)然，在高速旋轉(zhuǎn)檢測(cè)中，也必須重點(diǎn)考慮信號(hào)處理芯片以及電子回路的響應(yīng)速度。

小結(jié)

這三種GMR傳感應(yīng)用，開(kāi)關(guān)式GMR因其檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及低磁滯帶來(lái)的高精度，非常適合消費(fèi)電子、白電等領(lǐng)域；編碼器式GMR在各種惡劣環(huán)境下都能保持50%占空比以及90°的A/B相位差，在電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)速檢測(cè)上效果突出；模擬輸出式GMR則特別適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)合，利于更靈活的機(jī)械設(shè)計(jì)。