Магнитный датчик описание

Устройства человеко-машинного интерфейса

EQ0441 (рис. 18) — двухосевая линейная микросхема Холла для устройства магнитного наведения.

Рис. 18. Устройства аналогового наведения (Analog Pointing Devices) AKM:
а) двухосевая линейная микросхема Холла EQ0441 для устройства магнитного наведения;
б) принцип работы

ГМР-датчики скорости и угла Infineon

Колесный датчик скорости TLE5041plusC (рис. 26а) разработан для автомобильных систем АБС, ESP (Electronic Stability Control) и систем косвенного мониторинга давления шин (iTPMS). TLE5041plusC представляет собой монолитную микросхему со смешиванием сигнала, которая включает интегрированные гигантские магниторезистивные (iGMR) элементы с 2‑мм шагом, способные детектировать направление магнитного поля, обеспечивая высокую чувствительность, высокий уровень характеристик и отличаются максимальной стойкостью в отношении электростатического разрушения и высокой ЭМС. Микросхема имеет двухпроводной токовый интерфейс, поставляется в корпусе PG-SSO‑2 и практически не требует внешних компонентов.

Рис. 26. ГМР-датчики скорости и положения Infineon:
а) TLE5041plusC — дифференциальный iGMR-датчик скорости колеса для систем indirect TPMS (iTPMS)

ГМР-энкодеры для измерений угла и контроля BLDC-двигателей

Вновь представленные датчики угла TLE5009 и TLE5012B (рис. 26б–е) измеряют ориентацию магнитного поля параллельно их поверхности корпуса в пределах диапазона от 0° до 360°. Основанные на инновационной ГМР-технологии iGMR (integrated Giant Magnetic Resistive), новые датчики угла TLE5009 и TLE5012B прокладывают путь к более комфортным и энергосберегающим концепциям контроля двигателей. Непосредственное измерение угла ротора может еще больше повышать уровни эффективности и минимизирует вибрации, что, в свою очередь, снижает уровни шумов и гарантирует плавное переключение.

Рис. 26. ГМР-датчики скорости и положения Infineon:
б–е) ГМР-энкодеры Infineon для измерений угла и контроля BLDC-двигателей:
б) чувствительные мосты ГМР-резисторов;
в) выходные сигналы;
г) TLE5009 — ГМР-энкодеры угла в диапазоне 360 °C синусно-косинусными выходами (функциональная диаграмма);
д) TLE5012 — высокоинтегрированные цифровые ГМР-энкодеры в диапазоне 360° (функциональная диаграмма);
е) применение для контроля BLDC-двигателей

TLE5009 — энкодер с синусно-косинусными выходами, который характеризуется встроенной температурной компенсацией смещения, временем задержки угловых измерений порядка 9 мкс, что подходит для высокоскоростной работы (до 30000 об/мин), и угловой ошибкой ≤3°.

TLE5012B — высокоточный и высокоинтегрированный цифровой энкодер с различными опциями интерфейса.

Частные ключевые признаки датчика TLE5012B включают:

Угловые датчики серий TLE5009 и TLE5012B характеризуются быстрым обновлением и малой латентностью — короткими периодами задержки сигнала порядка 9 мкс для TLE5009 и 42 мкс для TLE5012B. Таким образом достигается высокая эффективность переключения даже при быстрых скоростях вращения и изменениях нагрузки. Кроме того, интегрированная обработка сигнала TLE5012B снижает нагрузку на микроконтроллер, выполняя точные вычисления угла и калибровочные алгоритмы: угловое значение от TLE5012B может быть непосредственно использовано в цикле управления двигателем.

TLE5009 представляет собой решение с аналоговым интерфейсом, эффективное в стоимостном плане и легкое в осуществлении, а гибко настраиваемые и высокоинтегрированные датчики TLE5012B имеют расширенные функции обработки данных и различные избирательные пользовательские интерфейсы. Со скоростью обновления порядка 42 мкс устройства TLE5012B устанавливает новые стандарты де-факто в отношении комбинирования малого времени задержки с высоким разрешением сигнала. Датчики обеспечивают высокую угловую точность в 1 °C 15‑битным разрешением с полным сохранением функциональности. Это позволило производителю рекомендовать TLE5012B для точной регистрации положений ротора в высокодинамичных системах — робототехнике или электрического рулевого управления. Для достижения высокой степени функциональной надежности датчик TLE5012B обладает передовыми функциями самотестирования и мониторинг статуса, а также специальными признаками в архитектуре, например, имеет раздельные пути данных для каждого из двух интегрированных сенсорных мостов Уитстона. Оба датчика TLE5009 и TLE5012B работают при напряжении питания 3,3 или 5 В и поставляются в корпусе DSO‑8.

В производстве также находится ГМР-энкодер TLE5011 — аналоговый датчик в диапазоне до 360°. TLE5011 характеризуется 16‑битным цифровым синусно-косинусным выходом и интерфейсом SSC (SPI) до 2 Мбит/с с внутренней диагностикой.

Общие ключевые признаки датчиков TLE5009, TLE5012B и TLЕ5011 включают:

Применения, помимо переключения BLDC-двигателей (рис. 26е), предусматривают контроль рулевого управления и различные датчики углового положения.

ТМР-датчики MDT

Китайская компания MultiDimension Technology Co., Ltd. в настоящее время известна как инновационная компания, специализирующаяся на разработке и массовом производстве датчиков на основе туннельного магниторезистивного (ТМР) эффекта и предлагающая своим клиентам возможность использования полного портфолио готовых продуктов — от ключей до датчиков зубчатого ротора и даже магнитных датчиков изображения. Список преимуществ ТМР включает ультранизкое потребление мощности, высокую чувствительность, низкий гистерезис, низкий шум, высокий динамический диапазон и превосходную температурную стабильность. ТМР-датчики MDT, разработанные для медицинских, автомобильных, промышленных, потребительских и других применений, составляют основу последнего поколения магнитной сенсорной технологии, в чем компания MDT отдает первенство датчикам Холла.

На данный момент MDT — лидирующий поставщик ТМР-датчиков магнитного поля. Сегодня у компании MDT имеется полное портфолио готовых к использованию недорогих датчиков на основе магнитного туннельного перехода, в том числе интегрированных с ASIC. Первое поколение продуктов уже объединяет ключи, линейные и угловые датчики положения и датчики зубчатого ротора (градиометры). Полная линейка также предлагает магнитные датчики изображения и демонстрационные платы. MDT непрерывно создает новые продукты, основанные на разработанной ею магниторезистивной технологии, для удовлетворения клиентских требований.

Продуктовая линейка стандартных ТМР-датчиков MDT

Рис. 27. Примеры ТМР-датчиков MDT Technologies:
а–в) ключи:
а) измерительная конфигурация и принцип работы;
б, в) MMS2X1H — цифровой омниполярный магнитный ключ, который интегрирует технологии ТМР и CMOS:
б) блок-диаграмма;
в) внешний вид

Рис. 27. Примеры ТМР-датчиков MDT Technologies:
г–е) MMGX45 — первый ТМР магнитный датчик зубчатого ротора от MDT:
г) внешний вид;
д, е) блок-диаграммы:
д) одномостовой конфигурации;
е) двухмостовой конфигурации;
ж, з) датчики угла поворота дипольного магнита:
ж) измерительная конфигурация и внешний вид двухосевого первого ТМР-датчика угла MMA253F;
з) мостовая схема

Особенности ТМР-эффекта, обусловившие столь широкий круг его применений, состоят в уникальном наборе признаков — возможности детектирования слабых магнитных полей, высокой чувствительности, высокому SNR, широким допускам воздушного зазора, отсутствии подверженности воздействию наклонов и вибраций в вертикальном направлении. Стандартные ТМР-датчики чувствительны к параллельному поверхности корпуса полю, устойчивы к электромагнитной интерференции и обеспечивают компактный и недорогой дизайн в различных применениях. Впрочем, у MDT уже есть инновационные разработки Z‑осевых ТМР-датчиков, чувствительных к полю, перпендикулярному поверхности корпуса, что компания планирует использовать для создания электронных компасов и замещения датчиков Холла в стандартных для них конфигурациях измерения тока и линейного положения. ТМР-датчики показывают малые шумы, температурную стабильность, высокий динамический диапазон и достигают ультрамалого потребления мощности. Датчики Холла не могут обеспечивать все эти преимущества на том же уровне.

За исключением ключей, все остальные стандартные предложения ТМР-датчиков MDT представляют собой только датчики без ASIC — с выходом напряжения, пропорциональным приложенному полю, без дополнительных схем обработки сигналов. Вопрос интеграции с ASIC в одном интегральном корпусе датчика как готового и полного, а также недорогого системного решения — это лишь вопрос времени. На данный момент MDT не только имеет в списке своих предложений компоненты в стандартных корпусах, но и ориентирована на совместную разработку клиентских модульных решений. Самостоятельно достигнутая фирмой MDT степень интеграции продемонстрирована, в частности, ТМР-ключами, интегрирующими технологии ТМР и CMOS, и ТМР-датчиками изображения или магнитных паттернов, объединяющими в одном модульном корпусе ТМР-элементы, смещающий магнит и плату и формирующими на выходе многоканальный сигнал напряжения. Вопрос о скорейшем замещении датчиками MDT высокоинтегрированных ASIC Холла в большинстве коммерческих применениях пока поднимать нет смысла. Тем не менее интеграция с ASIC и/или другими внешними компонентами в отсутствие жестких ограничений со стороны факторов цены и времени разработки — это реально решаемая задача и работа на сегодняшний день для компаний, которым интересно повышение уровня измерительных характеристик, уникальное позиционирование собственной продукции и установление конкурентного превосходства в данном рыночном сегменте.

Спектр ГМР-датчиков от компании NVE

У компании NVE также сравнительно недавно появилась серия ГМР-датчиков, разработанная для медицинских применений и характеризующаяся энергопотреблением в диапазоне нановатт (рис. 25).

Рис. 25. Медицинский ГМР-ключ NVE BD027-14E:
а) внешний вид;
б) блок-диаграмма;
в) иллюстрация применения

Линейка медицинских ГМР-датчиков BDx27 с нанопотреблением мощности

Низковольтные ГМР-датчики магнитного поля с нанопотреблением мощности предназначены для имплантируемых медицинских приборов, работающих на батарейках. Датчики способны работать при напряжениях питания от 0,9 до 2,4 В и закорпусированы в миниатюрных 4‑выводных ULLGA бессвинцовых корпусах размерами (1,1×1,1×0,4 мм), а также предлагаются в виде незакорпусированных кристаллов bare-die размерами 0,625×0,625 мм для сборки посредством проводного соединения. Семейство BDx27 функционирует как магнитный ключ — датчик, выход которого включается, когда магнитное поле прикладывается, и отключается при удалении поля. Стандартная магнитная точка срабатывания является стабильной в полном диапазоне рабочих условий напряжения питания и температуры и составляет 1,5 мТл. Интегральные схемы датчиков состоят из ГМР-элементов датчика, схемы обработки сигнала для преобразования аналогового выхода сенсорных элементов в цифровой выход, и, опционально, осциллятора и схемы синхронизации для управления рабочим циклом питания. Датчик, как правило, потребляет 45 нВт максимум на 0,9 В. Другие устройства потребляют несколько больше мощности.

Так, BD020 — другой пример ключей с нанопотреблением мощности порядка 72 нВт на 2,4 В (рабочее напряжение 2,4–3,6 В). BD927-14E потребляют порядка 20 мкВт на 0,9 В.

Измерительный принцип устройства

Датчик включает элементы Холла без концентраторов магнитного поля и предназначен для измерения магнитных полей токонесущих проводников. Токовые полосы интегрированы в корпус датчика, также включающего дифференциальные усилители и фильтры. Микросхема осуществляет обработку сигнала и гальванически изолированные измерения при рабочем напряжении до 600 В и испытательном напряжении до 3600 В.

TLI4970 способен измерять переменные и постоянные токи в диапазоне до ±50 A. Полностью цифровой датчик не требует внешней калибровки. Дифференциальный измерительный принцип позволяет подавлять внешние магнитные поля и влияние температуры. Благодаря подавлению разрушающих полей датчик весьма устойчив к ним.

Устройство достигает малого смещения в 25 мА. Оно способно производить высокоточные измерения даже после многих лет работы без снижения уровня контроля качества и эффективности.

TLI4970 включает отдельные структуры для измерения температуры и механических напряжений, что повышает эффективность их компенсации и долговременную стабильность.

Датчик обеспечивает дополнительные функции, например быстрое обнаружение чрезмерного тока относительно предварительно сконфигурированного уровня.

В случае закорачивания внешней схемы и чрезмерных токов TLI4970 обеспечивает параллельный путь сигнала, что допускает обработку ошибок с задержкой менее чем в 3 мкс непосредственно в схеме драйвера или в МК. Системные разработчики могут программировать точную настройку обнаружения чрезмерных токов.

TLI4970 рекомендован для использования в высокоэффективных, надежных и недорогих солнечных инверторах, устройствах заряда, источниках питания, электроприводах и для контроля энергосберегающих светодиодных блоков освещения. Массовое производство датчика начнется в мае 2014 года, а образцы уже доступны. TLI4970 будет поставляться в компактном корпусе TISON (Thin Interstitial Small Outline No leads) SMD. Его размеры — 7×7×1 мм, поэтому микросхема подходит для недорогого автоматического монтажа.

Еще одним важным событием является выпуск вертикального двухэлементного датчика Холла TLE4966V с функциями определения скорости и направления вращения многополюсного магнитного ротора. Изменение ориентации датчика на 90° повышает гибкость дизайна в системах с ограниченным пространством.

Линейные и угловые АМР-энкодеры Measurement Specialities

Компания Measurement Specialties объединила технологию АМР-датчиков HL Planartechnik и в настоящее время является одним из лидирующих поставщиков передовых АМР-энкодеров.

Рис. 21. Новые линейные и угловые АМР-энкодеры Measurement Specialities:
а, б) KMA36 SPI — цифровой датчик уровня система на кристалле для угловых или линейных измерений:
а) внешний вид и возможные конфигурации;
б) функциональная диаграмма;
в–д) новая серия линейных энкодеров KMXP:
в) внешний вид;
г) измерительная конфигурация;
д) функциональная диаграмма

KMA36 (рис. 21а, б) — это универсальный магнитный энкодер для точных угловых или линейных измерений. Цифровые датчики положения характеризуются технологией «система-на-кристалле», сочетающей магниторезистивный элемент вместе с аналого-цифровым преобразователем и схемой обработки сигналов в небольшом стандартном корпусе.

Выпуск коммерческой версии KMA36 с аналоговым выходным и коммуникационным интерфейсом I2C состоялся еще в 2012 году. В 2014‑м MEAS представила SPI-версию датчика. На основе анизотропной магниторезистивной (АМР) технологии KMA36 в состоянии бесконтактно определить абсолютный магнитный угол внешнего магнита в диапазоне 360 градусов, а также выполнять инкрементальное детектирование магнитной полюсной полосы с длиной полюсов в 5 мм. Режимы сна и пониженного энергопотребления, а также автоматическое пробуждение через SPI делают KMA36 подходящим для различных батарейных применений. Данные передаются посредством цифровой SPI четырехпроводной (DI, DO, CLK, CS) коммуникационной шины. Программирование параметров этого цифрового датчика положения предоставляет пользователю доступ к широкому спектру конфигураций, чтобы обеспечить максимум свободы и функциональности.

Используемые в качестве линейных датчиков положения или как угловые датчики положения, магниторезистивные датчики KMA36 MEAS нечувствительны к магнитным дрейфам из-за механических допусков, изменений температуры или тепловых воздействий. Безремонтная эксплуатация и высокая пропускная способность этого универсального магнитного энкодера и датчика положения делает его хорошим выбором для динамических приложений в жестких условиях окружающей среды. MEAS разработала универсальный магнитный энкодер KMA36 для замены менее точных датчиков положения на основе эффекта Холла, которые часто подвержены внешним шумам. Как надежные датчики положения, Measurement Specialities KMA36 также способны заменить более хрупкие оптические энкодеры, подшипники которых подвержены сбоям.

Недавно компания Measurement Specialties расширила ассортимент своей продукции магниторезистивных датчиков следующей серией KMXP (рис. 21 в–д), представляющей собой датчики положения для точного измерения линейных перемещений магнитных линеек. Инновационное корпусирование датчика упрощает сборку печатных плат.

Кристаллы датчиков MEAS MLS1000, MLS2000 и MLS5000 хорошо известны и имеют наилучшие возможности для использования магнитных линеек. Серия KMXP обладает новым признаком: теперь датчик заключен в корпус DFN с футпринтом (26 мм и 0,75 мм в высоту). DFN-корпус припаивается посредством стандартных процессов сборки на носителе, например, печатной плате, что существенно упрощает процессы сборки для клиентов MEAS. Сейчас доступны модели KMXP2000 и KMXP5000 для полюсных шагов 2 и 5 мм соответственно. Позже в этом году предполагается выпуск KMXP1000 для полюсного шага в 1 мм. Все три компонента будут повыводно совместимы, что облегчит клиентские разработки.

Бесконтактный принцип измерения магнитного поля может быть применен как для инкрементального, так и для абсолютного измерения положения. Кристаллы MLS-датчиков KMXP обнаруживают распределение магнитного поля намагниченной линейки с чередующимися северным и южным полюсами с возможным воздушным зазором до 4 мм между линейкой и энкодером. Специальное градиентное расположение чувствительных АМР-элементов позволяет достигать разрешения в диапазоне порядка нескольких микрометров, причем на высоких скоростях до нескольких м/с. Весьма примечательным является и достижение датчиками общего уровня точности такого же порядка до нескольких микрометров.

Поскольку датчики должны быть позиционированы сравнительно недалеко от магнитной линейки, в прошлом для сборки использовался метод chip-on-board («кристалл-на-плате»). Для многих клиентов это был нестандартный монтажный процесс, достаточно трудоемкий и требовавший аутсорсинга технологических операций, что увеличивало затраты на создание продукта. Улучшения, способствовавшие переходу от COB к стандартному процессу пайки, значительно сократили расходы. Кроме того, данный корпус позволяет работать при температурах до +150 °C. Разработчики датчика надеются, что эта сенсорная технология найдет новые интересные применения.

АМР-датчики компании NXP

На данный момент полная линейка АМР-датчиков NXP включает только две актуальные версии автомобильных датчиков угловой скорости (ранее были известны многие другие) и 12 датчиков углового положения.

Актуальные предложения датчиков скорости:

Ключевые преимущества датчиков:

Основные применения — АБС (антиблокировочная система); управление двигателем (датчики коленчатого и распределительного вала); датчики трансмиссии/скорости автомобиля.

Рис. 20. Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система в корпусе от NXP:
а, б) KMI16/1 — датчик угловой скорости ферромагнитного зубчатого ротора в модульном исполнении с обратносмещающим магнитом:
а) функциональная схема;
б) конструкция корпуса;
в, г) KMA210 — ранний представитель семейства магнитных угловых энкодеров уровня «система-в корпусе»:
в) внешний вид;
г) конструкция корпуса

Линейка угловых датчиков:

Метод истинно угловых измерений на основе технологии АМР, осуществленный NXP, предполагает высокую точность и надежность. АМР-датчики функционируют практически независимо от магнитных смещений, допусков и дрейфов, рабочих зазоров в течение всего срока службы, а также в присутствии температурных или механических воздействий, отличаются высокой линейностью и устойчивостью к температурным дрейфам.

АМР-датчики положения NXP имеют преимущества, среди которых:

KMA200 может быть запрограммирован для работы в режиме с аналоговым выходом либо в цифровом выходном режиме (SPI). Разрешение — лучше 0,05°. Но рабочий угловой диапазон составляет только 180°, а не 360°, как у 2D/3D-энкодеров Холла, что ограничивает применение данного устройства.

Рабочий температурный диапазон от –40 до +160 °C. Устройство включает необходимые схемы защиты и диагностики.

KMA210 имеет многие признаки, общие с KMA200, но отличается пропорциональным аналоговым выходом вместо SPI.

KMZ41 и KMZ49, а также X3G-OH047, X3G-OH048, X3T-OH047 и X3T-OH048 представляют собой сенсорные мосты с угловым фазовым смещением в 45° между ними для недорогих автомобильных применений. Датчики отличаются друг от друга рабочей напряженностью поля (свыше 40 кА/м для KMZ41 и свыше 25 кА/м для KMZ49 и семейства X3G-OH047–X3T-OH048), а также типом корпусирования (KMZ41 и KMZ49 поставляются в SMD-корпусах, а X3G-OH047, X3G-OH048, X3T-OH047 и X3T-OH048 рассчитаны на клиентское корпусирование).

Рис. 20. Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система-в-корпусе от NXP:
д–з) KMA220 — избыточный (с двумя сенсорными структурами и двумя ASIC) однокорпусной магнитный угловой энкодер в диапазоне до 180°:
д) внешний вид;
е) конструкция корпуса;
ж) функциональная диаграмма;
з) иллюстрация применения;
и) KMA215 — модульный датчик с цифровым интерфейсом SENT (внешний вид; схема практически идентична одной сенсорной структуре с ASIC KMA 220)

Рис. 20. Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система-в-корпусе от NXP:
к, л) KMZ60 NXP — аналоговый АМР-датчик угла поворота, интегрированный с усилителем, для переключения бесколлекторных двигателей постоянного тока:
к) функциональная диаграмма;
л) иллюстрация применения

KMA220 — избыточная система в одном интегральном корпусе

KMA220 (рис. 20д–з) был представлен в июне 2012 года — это угловой магнитный датчик от NXP, разработанный для автомобильных применений и интегрирующий две сенсорные системы в один корпус. Данное предложение нацелено на удовлетворения требований систем функциональной безопасности, например, дроссельного контроля, для которых нужна избыточная система в одном корпусе. KMA220 — уникальное решение для конфигурации малого дипольного магнита, которое также характеризуется отсутствием необходимости в печатной плате или внешних компонентах.

Датчик KMA220 представляет собой полностью откалиброванное, высокопрецизионное и готовое к использованию устройство, которое в дополнение к двум сенсорным кристаллам и двум ASIC для обработки сигнала объединяет в одном корпусе три конденсатора. Все вместе позволяет клиентам снизить цену и упростить процесс сборки. Для достижения избыточности в системах контроля дроссельной заслонки производители автомобилей прежде инсталлировали два отдельных датчика на фрейм или печатную плату, сгибая выводы, — обычно для этого требовалась магнитная система, имеющая высокую стоимость. Избыточный датчик KMA220 инсталлируется значительно проще и способен полностью решить проблему надежного контроля работы автомобильных систем.

KMA221 — обычная система в одном интегральном корпусе

KMA221 — следующий за KMA220 представитель семейства датчиков угла, объединяющий в одном корпусе МР-сенсорные мосты, ASIC со смешиванием сигнала и конденсаторы. В отличие от предшественника, это обычная, не избыточная, но столь же высокоточная система углового детектирования в корпусе с аналоговым выходом.

KMA215 — модульный датчик магнитного поля с цифровым выходом SAE J2716

АМР-мосты, ASIC и конденсаторы интегрированы в модуль KMA215, представляющий собой программируемый, откалиброванный и готовый к использованию датчик с SENT-интерфейсом, настройки которого запасаются в энергонезависимой памяти.

Новые рыночные тенденции и технологии

В настоящее время современные технологии датчиков Холла полностью перекрывают все свои нативные недостатки. Смещение, например, эффективно устраняется на уровне элемента и в усилительной части схемотехническими методами переключаемой стабилизации (chopper-stabilization) и spinning current.

Для повышения чувствительности стандартного элемента Холла приложенное магнитное поле обычно усиливается с помощью концентратора магнитного поля, хотя это также увеличивает общий размер и вес датчика.

Для соответствия новым автомобильным требованиям надежности и функциональной безопасности разработаны двухкристальные версии датчиков Холла в избыточных конфигурациях.

На данный момент датчики Холла создали обширную базу стандартов де-факто в плане уровня исполнения, интеграции сенсорной части с ASIC, доступным опциям интерфейса, избыточности и изобилию предложений, которые требуют соответствия любых новых предложений — как самих вновь выпускаемых версий датчиков Холла, так и альтернативных компонентов.

Коммерческие XMR-технологии включают анизотропные магниторезистивные (AMR/АМР), гигантские магниторезистивные (GMR/ГМР) и датчики на основе туннельного магниторезистивного (TMR/ТМР) эффекта. Для обозначения ТМР-чувствительного элемента также используется термин «магнитный туннельный переход» — Magnetic Tunnel Junction (MTJ).

АМР-элементы имеют гораздо более высокую чувствительность, чем элемент Холла, но в узком линейном диапазоне до 45°. Перекрыть этот недостаток позволяет размещение нескольких АМР-элементов с угловым смещением относительно друг друга, что еще больше осложняет их интеграцию с ASIC, так как даже для одного пермаллоевого АМР-элемента интеграция со CMOS-схемой обработки и формирования сигнала в одном корпусе или на кристалле затруднена. Сенсорные элементы АМР-датчиков магнитного поля нуждаются в использовании катушки настройки/сброса, чтобы задать постоянную магнитную ориентацию доменов — например, скорректировать смещение вследствие фоновых шумов. Это приводит к увеличению сложности производственного процесса, а также размера датчика и потребления мощности.

Чувствительность ГМР-магнитных сенсорных элементов выше, чем АМР, соответственно, выше и разрешение, и SNR, и магнитные и механические допуски, но линейный и динамический диапазон ниже, чем у датчиков Холла. Проблема CMOS-интеграции изначально не была столь значительна, как для АМР, и в настоящем полностью решена.

В таблице сравниваются основные технические характеристики датчиков Холла, АМР, ГМР и ТМР, последовательно формирующих несколько поколений магнитной сенсорной технологии.

Системная интеграция сенсорных структур на основе XMR-эффектов со CMOS ASIC, подобных тем, которые созданы для датчиков Холла, вплоть до интеграции в одном корпусе или на кристалле, расширяет существующие горизонты достижимых измерительных характеристик, потребления мощности, размера и собственно границы применимости магнитной сенсорной технологии.

Это общий, но далеко не полный обзор предложений XMR-компонентов для рынка датчиков магнитного поля, пока что насыщенного ИС Холла. XMR-эффекты более чувствительны к магнитным полям, чем эффект Холла, и имеют ряд других преимуществ, например, в плане потребления мощности. Именно это стремятся использовать многие производители, располагающие возможностями для создания высокотехнологичных конкурирующих XMR-решений.

Автомобильные датчики положения. Угловые и линейные энкодеры Холла

Японская компания Asahi Kasei Micro-devices (AKM) доминирует по объемам поставок датчиков магнитного поля, но широко известна прежде всего как поставщик уникальных высокочувствительных магнитометров для компасов сотовых телефонов.

Автомобильная линейка датчиков Холла включает:

Угловые энкодеры AKM

Линейка угловых энкодеров компании AKM включает два новых 12‑битных датчика угла семейства AK74xx с автомобильной квалификацией и 10‑битный EM3242 без нее. Бесконтактный датчик угла может быть изготовлен в виде обычной простой конструкции на основе малого магнита и одной из этих интегральных микросхем.

В серию AK74xx (рис. 9) входят угловые датчики с исключительно высокой чувствительностью и высокими допусками в отношении рабочих зазоров. Например, AK7401 — решение, рекомендуемое для датчика угла рулевого управления.

Рис. 9. Новое семейство 12 битных датчиков угла семейства AK74xx с автомобильной квалификацией:
а) схема AK7401;
б) схема AK7405

AK7405 характеризуется 12‑битным разрешением со способностью детектирования частоты вращения до 20 000 об./мин., что делает этот датчик одним из наилучших решений для высокоскоростного детектирования.

Что касается AK7401 (рис. 9а), то это 12‑битный датчик угла с автомобильной квалификацией, который определяет угловое положение магнитного поля, параллельного поверхности ИС.

Различное анормальное детектирование (проверка данных памяти, диапазона плотности магнитного потока и т. д.).

Функции настройки параметров подобно нулевой точке, направления вращения, блокировки памяти и пр. через последовательный интерфейс.

Микросхема AK7405 (рис. 9б) — это высокоскоростной 12‑битный датчик угла с автомобильной квалификацией, который обнаруживает угловое положение магнитного поля, параллельного поверхности ИС и изменяющегося с высокой скоростью (≤20 000 об./мин.).

К другим автомобильным компонентам от AKM относятся, например, EM235L — мультиточечная программируемая ИС Холла, рекомендованная к использованию в датчиках крутящего момента, топливного уровня, педали.

EG230L — программируемая линейная ИС Холла, изготовленная на основе составного полупроводника. Она отличается исключительно коротким временем срабатывания, низким шумом и низким дрейфом смещения. Эта ИС рекомендована как решение для датчиков тока в инверторах гибридных ТС.

В серию AK87xx входят однокристальные энкодеры для недорогих сборок. Это пример однокристального решения для детектирования направления и счета импульсов при вращении ротора с большим числом пар магнитных полюсов без учета величины намагниченности.

EM6011 и EZ410 — малошумящие ИС Холла защелкивающего типа с автомобильной квалификацией, подходящие для переключения двигателей.

Высокочувствительные элементы Холла AKM рекомендуется использовать при детектировании движения двигателей вентиляторов и различных малых двигателей.

Новое поколение высоконадежных автомобильных энкодеров

Энкодеры Холла для контроля переключения бесколлекторных двигателей

В начале 2013 года компания AMS AG объявила о применении своих новых энкодеров Холла AS5134 и других ИС в составе автомобильных систем Continental.

Рис. 10. Новое поколение высоконадежных автомобильных энкодеров от AMS:
а, б) AS5134 — высокоскоростной и высоконадежный датчик для контроля переключения бесколлекторных двигателей;
в, г) новые датчики положения AS5162 серии 60 с передовыми диагностическими функциями;
а, в) функциональная схема;
б, г) примеры применения

AS5134 служит для определения углового положения ротора двигателей в трансмиссионном блоке управления для новых коробок передач с двойным сцеплением (Double-Clutch Transmissions, DCT). DCT представляет собой передовую форму автоматических коробок передач пассажирских автомобилей. В некоторых недавно разработанных DCT для переключения передач и контроля двойного сцепления используются бесколлекторные двигатели — до четырех в одной DCT.

Интегрированный модуль Continental, в состав которого входит этот датчик, переключает двигатели по ориентации магнитного поля методом, при котором входной ток к каждому статору определяется на основе опорной информации об угловом смещении ротора.

Требования, которым отвечают устройства, включают точность при высокой скорости вращения и надежность. Более точные измерения угла ротора дают в результате более низкий джиттер крутящего момента, плавную работу и более высокую эффективность расхода мощности. Конкретное преимущество AS5134 состоит в повышении крутящего момента. Таким образом, двигатель достигает оптимальной скорости быстрее, что позволяет снизить потребление энергии.

Датчик положения магнита AS5134 характеризуется низкой латентностью распространения сигнала: время задержки входа от детектируемого магнита до вычисления углового выхода составляет порядка 22 мкс. Это допускает высокоточные измерения высокоскоростных роторов: AS5134 специфицирован для угловых измерений с шагом 1° и с точностью до ±2° при скорости вращения до 82 000 об./мин.

Управляющий модуль в трансмиссии Continental представляет собой законченный интегрированный блок, который нелегко отремонтировать или заменить, и поэтому надежность компонентов в модуле, таких как датчик положения, очень важна. Подобно многим датчикам положения AMS, AS5134 отличается дифференциальной технологией, разработанной и запатентованной компанией. Это позволяет выводить сигнал, устойчивый к паразитным магнитным полям. Поэтому датчики положения AMS не требуют экранирования, что помогает удерживать низкой стоимость материалов в спецификации и сборки.

Новое поколение автомобильных магнитных энкодеров от AMS — примеры соответствия ISO26262 на уровне дизайна SoC.

Новые датчики AS5161 и AS5261 (с цифровым ШИМ-выходом) и AS5162 и AS5262 (с аналоговым выходом напряжения) имеют лучшие в своем классе автомобильные защитные признаки — не только в рамках линейки этой компании, но и в сравнении со многими ее конкурентами.

Датчики серии 60 позволяют автопроизводителям достигать выполнения требований стандарта ISO26262, обеспечивая более высокую надежность, всеобъемлющий анализ эффектов прямых и косвенных опасных отказов и весьма низкий показатель по отказам во времени (Failure In Time, FIT). Дуальные версии со стекированными кристаллами в одном корпусе полностью избыточны, что позволяет использовать датчики AS5261 и AS5262 в применениях, требующих самой высокой градации безопасности, — ASIL D.

В новом поколении автомобильных датчиков положения компания AMS также повысила уровень самодиагностики и усилила энергосбережение для достижения лидирующей в классе эффективности. Датчики серии 60 типично расходуют ток порядка 10 мА, а большинство конкурирующих устройств — более 15 мА.

Датчики этой серии предназначены для определения углового положения в широком диапазоне автомобильных применений, включая педаль акселератора, педаль тормоза, мониторинг клиренса — высоты езды относительно колеса (chassis ride height monitor), датчик положения клапана HVAC, рулевое колесо.

Устройства также рекомендованы для использования в трансмиссии: переключателе 2WD/4WD, актюаторе переключателя передач (gearshift actuator) и дроссельных применениях: EGR, тумблерной заслонке во впускном патрубке (tumble flap), при контроле положения дросселя, турбонагнетателя.

Датчики измеряют угловое смещение в 16 384 точках за оборот. Интегральная нелинейность составляет 1,4° (максимум) в пределах полного оборота. Рабочий температурный диапазон — от –40 до +150 °C.

Все четыре устройства имеют малое время задержки распространения: задержка между входом от детектируемого магнита и вычислением угла на выходе кристалла оценивается в 300 мкс. Это означает, что они способны обеспечивать точные измерения положения роторов, работающих на высокой скорости.

Магнитные датчики положения AS5161 и AS5162 поставляются в малом корпусе SOIC8. Избыточные датчики со стекированными кристаллами AS5261 и AS5262 выпускаются в корпусе MLF16. Цена AS5161 и AS5162 — 2,7 евро при заказе от 1000 шт., AS5261 и AS5262 стоят порядка 5,12 евро.

О том, что компания AMS приближается к объемному производству первых автомобильных продуктов, разработанных в соответствии с новым стандартом функциональной безопасности ISO26262, было объявлено еще в октябре 2012 года. Производство первых продуктов, разработанных в соответствии со стандартом, стартовало в 2013 году.

Угловой энкодер AS5162 в паре с двухполюсным магнитом точно определяет угловые перемещения с разрешением до 0,09° за оборот. Серия CPS используется в системах шасси последнего поколения и определяет их высоту относительно колес. AS5162 может входить и в другие системы определения положения, например, для контроля фар. Системы активного контроля шасси CPS критичны в плане функциональной безопасности, они должны соответствовать стандарту ISO26262, это достигается благодаря энкодерам AMS.

AMS выпускает обширную линейку энкодеров Холла, которую непрерывно пополняет. Во время подготовки этой статьи к публикации компания сообщила о начале производства следующего датчика 60‑й серии — AS5263. Он представляет собой избыточный 12‑битный угловой 2D-энкодер с линейным аналоговым или ШИМ-выходом и защитой от перенапряжения.

Обновления также включают микросхемы серий 50 и 55 с цифровым угловым выходным интерфейсом — 10‑битный датчик AS5050A и 12‑битный датчик AS5055A.

Разновидности магнитоупругих датчиков

Магнитоупругие датчики разделяются:

Дроссельный магнитоупругий датчик

Представляет собой обмотку, надетую на собой сердечник из ферромагнитного материала броневого или стержневого типа. При внешнем механическом воздействии и возникновении в сердечнике механических напряжений происходит изменение магнитной проницаемости  , индуктивности обмотки   и индуктивного сопротивления  . При включении такого датчика последовательно в цепь между источником переменной ЭДС и нагрузкой и приложении механического воздействия на сердечник будет наблюдаться изменение тока   в цепи и как следствие — изменение напряжения   на нагрузке.

Трансформаторный магнитоупругий датчик

Данный датчик состоит из двух обмоток, намотанных на сердечник с необходимыми магнитоупругими свойствами и представляет собой трансформатор, при этом одна из обмоток (первичная) подключается к источнику переменной ЭДС, а другая (вторичная) — к нагрузке. Возникновение механических напряжений в сердечнике приводит к изменению магнитной проницаемости   и значит к изменению взаимной индуктивности   между обмотками и разному напряжению, индуцируемому во вторичной обмотке.

Имеется и другая разновидность трансформаторного магнитоупругого датчика — шунтовой трансформаторный магнитоупругий датчик, в котором на одно стержне сердечника находится первичная обмотка, на другом — вторичная, средний стержень сердечника не имеет обмотки (шунтовой стержень) и поскольку путь для магнитного потока через шунтирующий стержень короче, а сечение шунтирующего стержня больше, тот магнитный поток   от первичной обмотки практически не попадает в стержень со вторичной обмоткой, но при приложения усилия на шунтовой стержень (с положительной магнитострикцией) его магнитная проницаемость уменьшается и поток начинает замыкаться через стержень со вторичной обмоткой, в которой появляется напряжение  .

В дифференциально — трансформаторном магнитоупругом датчике первичная обмотка находится на среднем стержне, а на двух боковых стержнях — две вторичные с одинаковыми параметрами, при этом вторичные обмотки включаются встречно, поэтому на нагрузке (без приложения механического напряжения к датчику) суммарное напряжение равно нулю, при возникновении механического напряжения   на одном из стержней баланс нарушается и на нагрузке появляется электрическое напряжение  .

Для определения механических напряжений в нескольких плоскостях обмотки с сердечниками устанавливают в различных направлениях в магнитной системе.

Магнитоанизотропные преобразователи (прессдукторы)

В прессдукторах усилие прилагается к сердечнику в направлении 45° к осям первичной и вторичной обмоток (которые между собой расположены перпендикулярно). При такой конструкции в не нагруженном сердечнике поток   первичной обмотки не охватывает витки   вторичной и в последней не наводится ЭДС, при приложении усилия к сердечнику магнитный поток охватывает витки вторичной обмотки и на нагрузке появляется сигнал.

Электродно-катушечные магнитоизоторопные преобразователи

Электродно-катушечные магнитоизотропные преобразователи используются для определения скручивающих механических усилий. Для этого к ферромагнитному сердечнику подключаются электроды и при подаче тока к ним от внешней цепи создаются циркулирующие магнитные потоки, которые не пересекают вторичную обмотку, расположенную на сердечнике. При приложении скручивающих усилий во вторичной обмотке наводится ЭДС.

Магнитоупругие датчики электрического сопротивления (безобмоточные)

В таких датчиках измеряется падение напряжения на самом ферромагнитном сердечнике: на одни электроды, расположенные по краям подаётся от внешнего источника питания ток  , а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения  , пропорциональное внешнему механическому усилию.

Сельсинные магнитоупругие датчики

Сельсинные датчики имеют две взаимноперпендикулярные обмотки возбуждения, одна из которых расположена на чувствительном элементе, к которому прикладывается усилие; управляющая обмотка также расположена в пазах на чувствительном элементе в виде диска. При воздействии усилия на чувствительный элемент возникает фазовый небаланс между обмотками и ротор датчика поворачивается.

Принцип работы датчиков магнитного поля

Основными видами датчиков магнитного поля, применяемых в настоящее время, являются: индукционные, датчики холла и магниторезистивные.

Представленные в каталоге магнитные датчики Pepperl+Fuchs по принципу действия относятся к магниторезистивным.

Чувствительным элементом данного датчика выступает магниторезистор. При воздействии магнитного поля его сопротивление изменяется, что и является сигналом для переключения выходной цепи датчика. То есть при поднесении магнита к чувствительной области датчика произойдет срабатывание.

С физической точки зрения данный эффект объясняется следующим образом: электроны чувствительного элемента, находящегося в магнитном поле, подвергаются воздействию силы Лоренца, которая заставляет их отклоняться. Тем самым удлиняется путь следования электронов, что ведёт к изменению сопротивления на выводах магниторезистора (см. рис).