用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的高度集成磁場(chǎng)傳感器

　　摘要：異向性磁阻(AMR)效應(yīng)是汽車領(lǐng)域眾多傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)，AMR傳感器具有性能穩(wěn)定、工作溫差大、耐用等多種優(yōu)勢(shì)。包括節(jié)氣門(mén)、電子線控和線控轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)角度測(cè)量是一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，AMR傳感器可以提高機(jī)械系統(tǒng)效率，對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)保型汽車具有直接意義。本文將以高度集成的角位傳感器KMA210為例，詳細(xì)探討如何使用AMR角度傳感器。

　　關(guān)鍵詞：AMR;汽車傳動(dòng)系統(tǒng);傳感器;磁場(chǎng)傳感器

　　簡(jiǎn)介

　　現(xiàn)在的汽車要同時(shí)保證行車安全、操控便捷以及控制尾氣排放，油門(mén)踏板傳感器、節(jié)氣門(mén)、可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都離不開(kāi)角位傳感器。隨著新排放法規(guī)不斷出現(xiàn)以及能源成本日益增加，現(xiàn)有傳動(dòng)概念已無(wú)法滿足要求，提高汽車效率已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，而傳感器在這一領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。

　　提高效率，傳感器必須滿足更嚴(yán)格的要求?；诋愊蛐源抛?AMR)效應(yīng)的智能磁場(chǎng)傳感器是這類應(yīng)用的最佳選擇。該傳感器系統(tǒng)為機(jī)械部件的角位測(cè)量提供了一套非接觸、無(wú)磨損解決方案。除具有出色的大溫差工作范圍外，AMR傳感器的耐用性和穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)也非常明顯?？傮w而言，AMR傳感器完全滿足汽車應(yīng)用的高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命和耐用要求。

　　新型KMA210傳感器系統(tǒng)(圖1)采用創(chuàng)新模塊設(shè)計(jì)，除傳感器本身和相關(guān)信號(hào)處理單元外，所有輔助器件全部集成在單一設(shè)備中，無(wú)需引入外部器件和電路板。模塊可直接安裝，完全滿足普通EMC(電磁兼容)要求。因此，系統(tǒng)總成本得到了大幅消減。另外，與之前產(chǎn)品相比，測(cè)量準(zhǔn)確性也得到了進(jìn)一步提升。例如，KMA210傳感器在 40 ~ +160℃溫度范圍內(nèi)的線性誤差為±1.0℃，溫度漂移誤差0.4°(25℃參考溫度)。

　　通過(guò)增加綜合診斷和16V過(guò)壓保護(hù)等功能，系統(tǒng)整體耐用性得到了顯著加強(qiáng)。因此，KMA210完全滿足汽車行業(yè)日益提高的要求。

　　傳感器系統(tǒng)

　　現(xiàn)代AMR傳感器系統(tǒng)主要包括兩部分：基本傳感器和信號(hào)處理ASIC單元。異向性磁阻效應(yīng)是已故凱爾文爵士在1857年首先提出的理論[1]，該效應(yīng)理論非常適合磁場(chǎng)檢測(cè)。磁場(chǎng)由多個(gè)離散磁疇構(gòu)成的鐵磁性材料產(chǎn)生[2]。這些磁疇也稱為外斯磁疇，具有不同的磁化方向。如果將鐵磁材料制成超薄層，則磁化矢量可以控制在薄層范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，可以近似認(rèn)為只有一個(gè)唯一的磁疇。如果該元件受到外部磁場(chǎng)影響，則其內(nèi)部的磁化矢量方向?qū)?huì)改變[3]。電流通過(guò)此元件時(shí)，電阻取決于電流與磁化的方向夾角。電流與磁化方向相互垂直時(shí)電阻最小，平行時(shí)最大。電阻變化幅度取決于材料。不過(guò)，鐵磁性材料的類型也會(huì)對(duì)溫度特性產(chǎn)生影響。由81%的鎳和19%的鐵組成的合金具有最大電阻變化范圍(2.2%)和最佳溫度特性[2]。為了最大程度放大輸出信號(hào)、改善溫度特性，AMR電阻器通常采用惠斯通橋配置。AMR角度傳感器由兩個(gè)電阻橋采用45°夾角交錯(cuò)布置[3]。常規(guī)測(cè)量結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖3、圖4給出了管芯中兩個(gè)電阻橋的布置形式(傳感器A和B)。

　　角度測(cè)量首先要計(jì)算電阻橋A和B之間的輸出信號(hào)比，然后，再用反正切函數(shù)直接計(jì)算角度。恩智浦角度測(cè)量智能傳感器系統(tǒng)的配置形式詳見(jiàn)圖5。兩個(gè)AMR電阻橋的輸出信號(hào)均經(jīng)過(guò)了放大和數(shù)字化處理。角度計(jì)算本身通過(guò)數(shù)字邏輯單元執(zhí)行。輸出的角度測(cè)量結(jié)果可以是數(shù)字或模擬格式，主要取決于器件類型。恩智浦傳感器系統(tǒng)完全滿足汽車領(lǐng)域的應(yīng)用需求，不僅適合 40~160℃工作溫度范圍，還能對(duì)所有引腳提供最高26V的超壓保護(hù)。其他特點(diǎn)包括自診斷、模擬/數(shù)字接口、溫度監(jiān)控和用戶編程。

　　KMA210傳感器采用的設(shè)計(jì)原理如圖5所示。圖6給出了該傳感器的示意圖，通過(guò)集成阻塞電容器和輸出電容器，無(wú)需安裝外部器件。與現(xiàn)有的智能傳感器相比，KMA210無(wú)論測(cè)量精度和EMC性能都有顯著提升。信號(hào)處理ASIC單元采用了SOI 140nm ABCD9 CMOS 工藝制造，不僅EMC性能更加出色，同時(shí)還能滿足高壓和低功耗要求。