用于汽車傳動系統的高度集成磁場傳感器

簡介

現在的汽車要同時保證行車安全、操控便捷以及控制尾氣排放，油門踏板傳感器、節氣門、可變氣門驅動和線控轉向系統都離不開角位傳感器。隨著新排放法規不斷出現以及能源成本日益增加，現有傳動概念已無法滿足要求，提高汽車效率已成為業界關注的焦點，而傳感器在這一領域具有舉足輕重的地位。

提高效率，傳感器必須滿足更嚴格的要求。基于異向性磁阻(AMR)效應的智能磁場傳感器是這類應用的最佳選擇。該傳感器系統為機械部件的角位測量提供了一套非接觸、無磨損解決方案。除具有出色的大溫差工作范圍外，AMR傳感器的耐用性和穩定性優勢也非常明顯。總體而言，AMR傳感器完全滿足汽車應用的高品質、長壽命和耐用要求。

新型KMA210傳感器系統(圖1)采用創新模塊設計，除傳感器本身和相關信號處理單元外，所有輔助器件全部集成在單一設備中，無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，系統總成本得到了大幅消減。另外，與之前產品相比，測量準確性也得到了進一步提升。例如，KMA210傳感器在40～+160℃溫度范圍內的線性誤差為±1.0℃，溫度漂移誤差0.4度(2s℃參考溫度)。

通過增加綜合診斷和16V過壓保護等功能，系統整體耐用性得到了顯著加強。因此，KMA210完全滿足汽車行業日益提高的要求。

傳感器系統

現代AMR傳感器系統主要包括兩部分：基本傳感器和信號處理ASIC單元。異向性磁阻效應是已故凱爾文爵士在1857年首先提出的理論，該效應理論非常適合磁場檢測。磁場由多個離散磁疇構成的鐵磁性材料產生。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。也就是說。可以近似認為只有一個唯一的磁疇。如果該元件受到外部磁場影響，則其內部的磁化矢量方向將會改變。電流通過此元件時，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電阻最小，平行時最大。電阻變化幅度取決于材料。不過，鐵磁性材料的類型也會對溫度特性產生影響。由8I％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。為了最大程度放大輸出信號、改善溫度特性，AMR電阻器通常采用惠斯通橋配置。AMR角度傳感器由兩個電阻橋采用45度夾角交錯布置。常規測量結構詳見圖3、圖4給出了管芯中兩個電阻橋的布置形式(傳感器A和B)。

角度測量首先要計算電阻橋A和B之間的輸出信號比，然后，再用反正切函數直接計算角度。恩智浦角度測量智能傳感器系統的配置形式詳見圖5。兩個AMR電阻橋的輸出信號均經過了放大和數字化處理。角度計算本身通過數字邏輯單元執行。輸出的角度測量結果可以是數字或模擬格式，主要取決于器件類型。恩智浦傳感器系統完全滿足汽車領域的應用需求，不僅適合40～160℃工作溫度范圍。還能對所有引腳提供最高26V的超壓保護。奠他特點包括自診斷、模擬／數字接口、溫度監控和用戶編程。

KMA210傳感器采用的設計原理如圖5所示。圖6給出了該傳感器的示意圖，通過集成阻塞電容器和輸出電容器，無需安裝外部器件。與現有的智能傳感器相比，KMA210無論測量精度和EMC性能都有顯著提升。信號處理ASIC單元采用了SOI 140nmABCD9 CMOS工藝制造，不僅EMC性能更加出色，同時還能滿足高壓和低功耗要求。

應用

要用AMR傳感器準確測量磁場角度，磁場強度必須能使磁阻玻莫合金的磁化方向與外部磁場方向相同。根據產品技術參數，KMA210傳感器的最小磁場強度要求為35kA／m。如果低于這一限值，則由于外部磁場強度的作用會出現角度偏差，詳見圖7。顯而易見，隨著磁場強度減弱，角度偏差逐步增大。圖8給出了不同磁場強度下的最大預計角度誤差。因此，優化磁鐵幾何形狀的主要任務就是最大程度提高傳感器部分的磁場強度。磁鐵越大，磁場越強。不過，增大磁鐵相應會增加成本。由于磁鐵成本直接受稀土材料的用量影響，所以必須對給定體積的磁鐵進行尺寸優化。為此，可采用有限元法(FEM)對不同大小的永磁鐵進行磁場強度模擬計算。圖9給出了傳感器元件處的磁場強度模擬計算結果(傳感器與永磁鐵空氣間隙2mm，磁鐵體積250mm3)。由圖中可以看出，磁鐵大小為4.5×11×5mm。(下劃線數字為磁化方向)時，SaCo磁鐵的磁場強度達到最大值：100kA／m。

角度測量系統的物理結構偏差是影響測量結果的另一個原因。增大永磁鐵和傳感器之間的空氣間隙會減弱磁場。但是，只要磁場強度大于規定的飽和磁場強度，則對角度測量結果影響會非常小。由于機械公差原因，偏心誤差(即：轉軸誤差)是造成角度測量偏差的主要原因。為此，必須區別對待轉軸的磁鐵偏心與傳感器偏心這兩種情況。

由于機械公差原因，為了計算角度誤差還需要進一步對模擬模型再優化。兩個惠斯通電橋共有8個電阻，我們分別對每一個電阻的有限元模擬所產生的磁場矢量和磁場強度進行了研究(參見圖4)。圖11給出了0.5mm磁鐵偏心的角度誤差。圖中的點劃線表示相同磁場強度條件下理想均勻磁場的預計誤差。從圖中可以看出，最大角度誤差從0.004。增加到0.0055，偏心沒有太大影響。圖12顯示的是0.5mm傳感器偏心的預計度誤差。為便于比較，均勻磁場的角度誤差同樣以點劃線表示。這種情況下的角度誤差預計約為0.15。其他的模擬結果也表明，增加磁鐵寬度而保持長度不變(磁化方向)可以減少角度誤差，而增加長度對結果幾乎沒有影響。通過圖9可以清楚地看出其中原因。增加磁鐵寬度同時減小高度只會略微降低磁場強度，卻可以改善傳感器的磁場均勻性。相反地，如果增加磁鐵長度將會大幅降低磁場強度，且無法改善磁場的均勻性。

結論

使用磁阻傳感器可以實現高效磁角度測量，因為磁阻效應本身就是一種角度效應。本文主要介紹了由傳感器和相關信號處理ASIC單元組成的角度測量系統。在很多實際應用中，這類傳感器通常與永磁鐵配套使用。通過模擬演示可以優化特定體積大小的磁鐵尺寸。相對于機械公差，磁鐵的偏心誤差可以忽略不計。同樣，只要磁鐵有合理的尺寸設計，傳感器的轉軸偏心誤差對角度誤差的影響微乎其微。總體來看，磁阻傳感器是很多應用的理想選擇。