Современные AMP датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Александр БОРИСОВ

[email protected]

Современные АМР-датчики

для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей

В настоящее время все большее применение находят анизотропные магниторезистивные датчики, предназначенные для решения различных задач — бесконтактного измерения скорости и направления вращения зубчатых колес и многополюсных магнитных роторов энкодеров, определения угла поворота или величины линейного перемещения, бесконтактного измерения тока (мощности), а также для определения курса объекта по магнитному полю Земли в магнитометрии.

В статье приводится обзор элементной базы современных АМР-датчиков, выпускаемых ведущими мировыми лидерами в этой области — Philips, Honeywell, HL-Planartechnik.

Конструктив — Электрическиме контакты

L у / М/ ^// Полоска Пермаллоя (NiFe) / у/ / / токнопленочная технология

J/ / п/п подложка

|/ \ Преимущественное направление

/ вектора намагниченности М при условии (d < b « L)

Анизотропные магниторезистивные датчики характеризуются высокой чувствительностью, обеспечивают высокие уровни первичного сигнала, широкий рабочий температурный диапазон, прочность, надежность и точность работы. Кроме того, они отличаются малым смещением и значительной нечувствительностью к магнитным и механическим допускам, что используется для создания разнообразных датчиков различных сфер применения, в частности, для автоэлектроники, промышленности и навигационных систем.

Принцип действия АМР-датчиков основан на применении анизотропного магнитного эффекта, то есть на способности магниторезистивного материала, например пермаллое-вой (№Бе) пленки, изменять сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего тока и вектора преимущественной намагниченности магнитных доменов пленки. Внешнее магнитное поле Н поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол а, значение которого зависит от направления и значения такого поля. При этом сопротивление пленки изменяется по формуле, приведенной на рис. 1. Согласно этой формуле углу а = 90° соответствует минимальное сопротивление пленки, углу а = 0° (в отсутствие поля) — максимальное значение сопротивления, равное базовому сопротивлению (Я0), к которому прибавляется максимальное ЛЯ, составляющее обычно 2-3%. (В отсутствие магнитного поля направление тока и направление вектора намагниченности пермаллоя параллельны друг другу, а при увеличении напряженности поля Н угол а увеличивается,

Рис. 2. Упрощенная схема конструктива АМР-датчика

а сопротивление Я уменьшается на максимальную величину ЛЯ, зависящую от свойств материала пленки).

Данная характеристика зависимости сопротивления нелинейна и неуникальна, другими словами, она не зависит от направления действия поля напряженностью Н в плане датчика.

Рассмотрим упрощенную схему конструктива такого датчика (рис. 2).

На полупроводниковую подложку по тонкопленочной технологии наносят слой чувствительного материала (пермаллоя) в виде полоски так, чтобы ее геометрические размеры удовлетворяли следующему условию: й< Ъ^1, где й — толщина, Ъ — ширина и 1 — длина полоски. При выполнении этого условия вектор намагниченности пленки М будет иметь преимущественное направление вдоль полоски, совпадающее с направлением тока

Ток В нешнее магнитное поле Ну

+ ^ ,

Намагі- Полоска пермаллоя иченность

Рис. 3. Пример использования сплошной полоски пермаллоя

Рис. 4. Функция R = f ^у) для сплошного слоя пермаллоя

в отсутствие внешнего поля или достижимое за счет приложения внешнего смещающего и насыщающего поля (например, от обмотки или постоянного магнита).

При использовании сплошной чувствительной полоски слоя (как показано на рис. 3 желтым цветом), сопротивление датчика в зависимости от направления намагниченности будет меняться нелинейно (рис. 4). Хотя схема и позволяет детектировать углы поворота дипольного магнита, датчик такой конструкции не рекомендуется для измерений, особенно для слабых полей и в магнитометрии, поскольку имеет следующие основные недостатки:

• низкая чувствительность;

• нелинейность;

• не позволяет определить направление поля.

Чтобы избавиться от этих недостатков, используют чувствительные элементы, состоящие из магниторезистивных пленок пермаллоя, осажденных на кремниевую пластину в виде полосок (рис. 5). Четыре резистора, каждый из которых выполнен, как показано на рис. 5, включаются в мостовую схему. Сопротивление резистора в зависимости от направления намагниченности будет меняться линейно (рис. 6). Это достигается за счет метода, называемого смещением зазубренных участков. Согласно этому методу на пути тока замещаются шунтирующие полосы с низким сопротивлением — из алюминия или серебра. Причем начальная ориентация вектора намагничивания М сформирована параллельно длине мостового резистора. Благодаря расположению полос под углом 45° к длине пленки, ток, выбирая кратчайший путь, на пермаллоевых участках течет также под углом 45°.

В результате применения данного метода выполняется поворот тока и достигается изменение в сопротивлении под действием внешнего магнитного поля, зависящее от его

Рис. 6. Функция R = ^у)

для не сплошного слоя пермаллоя

направления в пределах ярко выраженного линейного участка (рис. 6).

В мостовой схеме одна пара диагональных элементов моста включает шунтирующие полосы, которые расположены под углом +45° к оси полосы, другая пара — под углом -45°. Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием поля соответствует равному уменьшению второй пары. Результирующий дифференциальный сигнал является линейной функцией амплитуды внешнего магнитного поля, нормального к оси полосы в ее плоскости.

Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке наподобие лабиринта.

Поэтому мостовые датчики в исполнении с зазубренными полосами рекомендуются для многих измерений — скорости, углов, тока, а также подходят для измерений слабых полей. Их основные характеристики:

• высокая чувствительность;

• линейность;

• возможность определить направление поля. Конкурентами АМР-датчиков в задачах измерений скорости, положения и тока являются датчики Холла. Если сравнивать эти датчики, окажется, что магниторезистивные имеют ряд основных преимуществ:

1) действует направление поля вместо величины поля, как в эффекте Холла — широкий выбор магнитов для измерений, независимо от их остаточной намагниченности (но в пределах насыщающих значений поля);

2) действие в зоне насыщенности напряженности поля датчика означает:

- независимость от магнитного дрейфа во времени и под действием температуры;

- независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком);

- независимость от температурных эффектов за счет вычисления функции арктангенса в угловых измерениях;

3) малое смещение мостовых магниторезисторов;

4) магниторезистивные мостовые датчики после компенсации температурно стабильны и имеют расширенный температурный диапазон (-40.. .160 °С).

Указанные преимущества магниторезистивных датчиков особенно полезны в автомобильных применениях, в условиях жесткой эксплуатации, которая характеризуется повышенной загрязненностью, перепадами температур, повышенными механическими вибрациями.

Высокая чувствительность позволяет также использовать АМР-датчики для измерения слабых полей в навигационных системах, где эффект Холла обычно не применяется.

Рассмотрим работу магниторезистивных датчиков на примерах измерения различных параметров.

Измерение частоты вращения

Принцип измерения частоты изображен на рис. 7. Напряжение V с выхода сенсорного элемента датчика изменяется в зависимости от положения зубца ферромагнитной шестерни. В схеме обработки выходного сигнала напряжения с компаратором на выходе компаратора будут получены прямоугольные импульсы напряжения или тока частотой, пропорциональной числу зубьев шестерни.

Датчики частоты вращения применяются в автоэлектронике (АБС, КПП, скорость автомобиля), в стиральных и посудомоечных машинах, робототехнике.

Измерение углов вращения

Принцип измерения углов показан на рис. 8. На торце вала крепится дипольный магнит. При повороте магнитного вектора на угол а изменяется сопротивление и выходное напряжение датчика, по изменению которого можно определить угол поворота вала и направление (в пределах ±45°).

Для того чтобы измерять угол поворота в пределах ±90°, объединяют два датчика, смещенных друг относительно друга на 45°. Данный принцип поясняется на рис. 9 и 10.

Датчики углов используются в автоэлектронике (для измерения углов поворота

Вал

Сенсор

С

Постоянный

магнит

Гибридная подложка

Выходной сигнал сенсора

Рис. 8. Принцип измерения полярной угловой координаты

Рис. 9. Измерение углов в диапазоне ±45°

Рис. 10. Измерение углов в диапазоне ±90°

дроссельной заслонки, педали газа, положения сидений, корректора фар), а также в посудомоечных машинах, вильчатых подъемниках, в робототехнике.

Измерение слабых полей

Основная сфера применения датчиков слабых полей — измерение магнитного поля Земли (компасы, навигация, детекторы движения, компенсация влияния поля Земли, например в телевизионной технике). Для построения двухосевого компаса необходимо использовать два сенсорных АМР-элемента, расположенных под углом 90° друг к другу.

Элементная база современных АМР-датчиков

На рынке представлены магниторезистивные датчики многих производителей. Рассмотрим продукцию основных игроков — Philips Semiconductors, Honeywell и HL-Planartechnik.

Компания Philips Semiconductors выпускает датчики частоты вращения, углов и датчики слабых магнитных полей (табл. 1).

Для измерения частоты вращения предназначаются датчики KMI15, KMI16.

Варианты датчиков для работы с ферромагнитным зубчатым ротором поставляются в комплекте со смещающими и стабилизирующими магнитами, для работы с многополюсными магнитами — с малыми магнитами для стабилизации.

Кроме того, компания Philips разработала датчики KMI18, KMI20 и KMI22, обладающие

улучшенными характеристиками (зазор более 3,5 мм), дополнительной функциональностью и улучшенной электромагнитной совместимостью, вместе со сниженными размерами смещающего магнита со стабилизирующим подмагничиванием для ферромагнитных роторов в некоторых вариантах.

Для измерения углового положения в диапазоне 180° компания Philips предлагает датчики KMZ41, KMZ43 и KMA200. По сравнению с KMZ41 датчик KMZ43 характеризуется меньшим значением напряженности насыщающего поля (всего 25 кА/м).

Для обработки сигналов с датчиков KMZ41, KMZ43 рекомендуется использовать чипы UZZ9000 и UZZ9001. Например, такая связка, как KMZ41/UZZ9000, позволяет добиться следующих результатов:

• аналоговый выход;

• высокая точность:

- абсолютная ошибка: 0,6-1,2° (зависит от температуры);

- относительная ошибка: < 0,6%;

- разрешение: > 0,05°.

Самым передовым из датчиков углового положения компании Philips является датчик KMA200. Он содержит не только чувствительные элементы, но и сигнальный процессор. Его основные характеристики:

• защита от повышенного напряжения питания до 16,5 В;

• максимальное превышение напряжения до 32 В (в течение 400 мс);

• отключение функций при превышении напряжения;

• 4 аналоговых и 2 цифровых выхода (конфигурируемых пользователем);

• разрешение 13 бит (0,022°);

• рабочие температуры -40...160 °С;

• ЕЕРИОМ (программируемая пользователем);

• 32-битный идентификатор;

• программируемый диапазон измерения углов;

• автоматическая настройка смещения нуля. К тому же КМА200 обладает диагностическими свойствами:

• контроль потери магнита;

• контроль температуры;

• СИС для ЕЕРИОМ и ИАМ;

• детектор сбоя генератора;

• сторожевой таймер.

КМА200 рекомендуется для контроля углового положения дросселя и педалей в автомобиле. Стоит упомянуть, что в последних моделях автомобилей BMW используются именно датчики КМА200. Сейчас в разработке находится микросхема КМА199, которая

Таблица 1. Датчики измерения частоты вращения фирмы Philips Semiconductor

Тип Рабочий зазор, мм Объект измерения Рабочая температура, °C Тип выхода Корпус

KMI15/1 2,5 пассив ферром -40...85 цифровой SOT453

KMI15/4 2 пассив ферром -40...85 цифровой SOT454

KMI15/2 2,5 намагниченный -40...85 цифровой SOT455

KMI16/1 2,5 пассив ферром -40...150 откр. коллектор SOT477

Таблица 2. Магниторезистивные датчики угла фирмы HL-Planartechnik

Тип Корпус Напряженность поля, кА/м Диапазон измерения, ° Особенности

КМТ 31 SM8 >50 (>25 со сниженной точностью) 0...180 Сильный выходной сигнал

КМТ 32В SM8 >25(>8 со сниженной точностью) 0...180 Высокая точность при 8 кА/м

MR 360 SM14 >25 0...360 Диапазон измерения 360°

Таблица 3. Магниторезистивные датчики тока фирмы HL-Planartechnik

Тип Корпус Диапазон измерения,А Сопротивление моста, кОм

КМС 05 SM8 0-5 1,4-2,2

КМС 10 DIL 14 0-10 1,4—2,2

КМС 20 DIL 14 0-20 1,4-2,2

Таблица 4. Датчики магнитных полей фирмы HL-Planartechnik

Тип Корпус Сопротивление моста, кОм Особенности

MZ 20 S E-Line 1,4-2,2

MZ 20 M E-Line 1,4—2,2 Со вспомогательным магнитом

MY 20 S SOT 223-S 1,4—2,2

MY 20 M SOT 223-S 1,4—2,2 Со вспомогательным магнитом

MY 21 M SOT 223-S 1,2-1,8 Полумост, АС-измерение

будет стоить в два раза дешевле КМА200, за счет отсутствия в ней некоторых функций. Массовое производство КМА199 планируется начать в IV квартале 2006 года.

Для измерения слабых магнитных полей компания Philips рекомендует сенсоры KMZ51, KMZ52 и KMZ10. Например, на основе чипа KMZ52 очень легко создать цифровой компас, а на сайте Philips есть рекомендации по его созданию.

HL-Planartechnik GmbH — одна из ведущих фирм, выпускающих АМР-датчики, предназначенные для систем измерения магнитного поля Земли, угла поворота, измерения расстояния, тока в составе различных измерительных систем.

Для измерения угловой координаты предлагаются датчики серии KMT (табл. 2).

Типичное для достижения эффекта АМР с интегральными датчиками HL-Planartechnik магнитное поле характеризуется небольшой величиной напряженности более 25 кА/м, или 8-25 кА/м, но со сниженной точностью, с датчиком КМТ 32 В.

HL-Planartechnik разработала и запатентовала уникальный датчик KMR 360, включающий три моста Уитстона с механическим

фазовым смещением углового расположения в 120°, предназначенный для детектирования углов в диапазоне до 360°. Многие магниторезистивные датчики тока фирмы НЬ-Р1апаЛеЛтк используются для измерения постоянного и переменного тока в диапазоне до 20 А (табл. 3). Для этого предусмотрен одиночный мостовой сенсорный элемент, который измеряет магнитное поле, возникающее вокруг проводника при протекании электрического тока. Напряженность данного поля прямо пропорциональна силе тока. На этом эффекте и основаны измерения.

Магниторезистивные линейные датчики НЬ-Р1апа1!еЛтк GmbH служат и для измерения слабых магнитных полей напряженностью менее 3 кА/м. Чувствительность и ширина рабочего диапазона регулируются за счет вспомогательного магнитного поля, образованного посредством дополнительного постоянного магнита. Для стандартных применений фирма НЬ-Р1апа11еЛтк GmbH предлагает датчики со встроенными в корпус магнитами, например для детектирования и регистрации положения постоянных магнитов при относительно больших расстояниях между ними. Для регистрации быстрых изменений магнитного поля предназначены по-лумостовые датчики с интегрированным вспомогательным магнитом (табл. 4).

Таблица 5. Датчики определения угла поворота

Внешний вид Наимено- вание Измеряемый угол,° Сопр. моста, Ом Кол-во осей Напр. питания,В Тип корпуса

«1 HMC1501 ±45 5000 1 1-25 SOIC

щ HMC1512 ±90 2100 2 1-25 SOIC

Таблица 6. Одноосевые датчики

Внешний вид Наимено- вание Диапазон измерения, Гаусс Сопр. моста, Ом Чувствит., мВ/В/Гаусс Напряж. питания, В Тип корпуса

«а* HMC1001 ±2 850 3,2 5-12 SIP

т HMC1021S ±6 1100 1,0 5-12 SOIC

vf" HMC1021Z ±6 1100 1,0 5-12 SIP

т HMC1021D ±6 1100 1,0 5-12 DIP

HMC1041Z Z-Axis ±6 1050 1,0 2-20 LPCC

HMC1051Z ±6 1000 1,0 1,8-20 SIP

HMC1051ZL ±6 1000 1,0 1,8-20 IN-LINE LCC8

Таблица 7. Двухосевые датчики

Внешний вид Наимено- вание Диапазон измерения, Гаусс Сопр. моста, Ом Чувствит., мВ/В/Гаусс Напр. питания, В Тип корпуса

HMC1002 ±2 850 3,2 5-12 SOIC

HMC1022 ±6 1100 1,0 5-12 SOIC

■ HMC1052 ±6 1000 1,0 1,8-20 MSOP

a HMC1052L ±6 1000 1,0 1,8-20 LCC16

Таблица 8. Трехосевые датчики

Внешний вид Наимено- вание Диапазон измерения, Гаусс Сопр. моста, Ом Чувствит., мВ/В/Гаусс Напр. питания, В Тип корпуса

# HMC1053 ±6 1000 1,0 1,8-20 LCC16

Таблица 9. Двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем

Внешний вид Наимено- вание Диапазон измерения, Гаусс Чувствит. Выходной сигнал Напряж. питания, В Тип корпуса

о HMC6052 0,08-2 0,5 В/Гаусс цифровой 2,5-3,6 LCC14

* HMC6352 0,1-0,75 2,5° I2C интерфейс 2,7-5,2 LCC24

Таблица 10. Магниторезистивные сборки для систем навигации

Внешний вид Наименование Описание

% HMC2003 • Трехосевой магнитометр для навигационных систем • Аналоговый выход. Измерения направления по компасу • Определение положения в пространстве • Диапазон измерений ±2 Гаусс с разрешением 40 мкГаусс

% HMR2300 • Цифровой магнитометр • 3 оси • RS232/485 интерфейс • Диапазон измерений ±2 Гаусс с разрешением 67 мкГаусс

HMR2300r • Бесплатформенный магнитометр • 3 оси • Замена индукционных магнитных датчиков для авиации • Интерфейс RS232/485 • EEPROM 55 байт

HMR3000 • Цифровой компас • Измерения направления по компасу с точностью до 0,5° при разрешении 0,1° • Измерения поперечного и продольного наклонов в диапазоне ±40° • Выход RS232/485 ММЕА, 20 Гц

HMR3100 • Двухосевой цифровой компас • Измерения направления по компасу с точностью до 5° при разрешении 0,5° • Компенсация паразитных магнитных полей

Внешний вид Наименование

HMR3500

TruePoint™

HMR3600

IjPOINT®

HMR3200

HMR3300

Компания Honeywell представляет самую широкую номенклатуру магниторезистивных датчиков, включая датчики угла поворота HMC1501/ HMC1512 и омниполярные датчики 2SS52M/SS552MT для различных применений. Наиболее широкую линейку АМР-датчиков Honeywell представляют компасы:

• одноосевые датчики;

• двухосевые датчики;

• трехосевые датчики;

• двухосевые датчики магнитного компаса с усилителем;

• магниторезистивные сборки для систем навигации.

Номенклатура и основные параметры датчиков Honeywell приведены в таблицах 5-10.

Рассмотренные в данной статье типичные задачи и решения, предлагаемые ведущими мировыми лидерами, отражают вполне стандартные и реальные возможности, доступные сегодня для разработчиков с текущим

Описание

• Двухосевой цифровой компас

• Системы навигации и наведения

• Измерения направления по компасу с точностью до 1° при разрешении 0,1°

• Компенсация магнитных полей корпуса самолета, ферромагнитных объектов и полей рассеяния

• Трехосевой цифровой компас

• Системы навигации и наведения

• Измерения поперечного и продольного наклонов до 60°

• Измерения направления по компасу с точностью до 1° при разрешении 0,1°

• Компенсация магнитных полей корпуса самолета, ферромагнитных объектов и полей рассеяния

• Трехосевой цифровой компас

• Допускает монтаж под любым углом

• Точность определения азимута 1°, разрешение 0,1°

• Измерения поперечного и продольного наклонов с точностью до 1°

• Интерфейс передачи данных ^Б-232, 50 Гц

• Цифровой компас нового поколения

• Точность определения азимута 0,5°, разрешение 0,1°

• Измерение угла наклона до ±80°

• Встроенный гироскоп

• Интерфейс передачи данных RS-232, 25 Гц

техническим уровнем элементной базы АМР-датчиков. ■

Литература

1. w ww .sensorica.r u

2. w ww.semiconductors.philips.c om/products/ sensors/index.ht ml

3. w ww .cms.hlplanar.de/ index.p hp?spath=329&lan=1&

4. w ww .ssec.honeywell.c om/magnetic