CC BY
486Александр БОРИСОВ
bor-alex@gamma.spb.ru
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
