用于汽车传动系统的高度集成磁场传感器

简介

现在的汽车要同时保证行车安全、操控便捷以及控制尾气排放，油门踏板传感器、节气门、可变气门驱动和线控转向系统都离不开角位传感器。随着新排放法规不断出现以及能源成本日益增加，现有传动概念已无法满足要求，提高汽车效率已成为业界关注的焦点，而传感器在这一领域具有举足轻重的地位。

提高效率，传感器必须满足更严格的要求。基于异向性磁阻(AMR)效应的智能磁场传感器是这类应用的最佳选择。该传感器系统为机械部件的角位测量提供了一套非接触、无磨损解决方案。除具有出色的大温差工作范围外，AMR传感器的耐用性和稳定性优势也非常明显。总体而言，AMR传感器完全满足汽车应用的高品质、长寿命和耐用要求。

新型KMA210传感器系统(图1)采用创新模块设计，除传感器本身和相关信号处理单元外，所有辅助器件全部集成在单一设备中，无需引入外部器件和电路板。模块可直接安装，完全满足普通EMC(电磁兼容)要求。因此，系统总成本得到了大幅消减。另外，与之前产品相比，测量准确性也得到了进一步提升。例如，KMA210传感器在40～+160℃温度范围内的线性误差为±1.0℃，温度漂移误差0.4度(2s℃参考温度)。

通过增加综合诊断和16V过压保护等功能，系统整体耐用性得到了显著加强。因此，KMA210完全满足汽车行业日益提高的要求。

传感器系统

现代AMR传感器系统主要包括两部分：基本传感器和信号处理ASIC单元。异向性磁阻效应是已故凯尔文爵士在1857年首先提出的理论，该效应理论非常适合磁场检测。磁场由多个离散磁畴构成的铁磁性材料产生。这些磁畴也称为外斯磁畴，具有不同的磁化方向。如果将铁磁材料制成超薄层，则磁化矢量可以控制在薄层范围内。也就是说。可以近似认为只有一个唯一的磁畴。如果该元件受到外部磁场影响，则其内部的磁化矢量方向将会改变。电流通过此元件时，电阻取决于电流与磁化的方向夹角。电流与磁化方向相互垂直时电阻最小，平行时最大。电阻变化幅度取决于材料。不过，铁磁性材料的类型也会对温度特性产生影响。由8I％的镍和19％的铁组成的合金具有最大电阻变化范围(2.2％)和最佳温度特性。为了最大程度放大输出信号、改善温度特性，AMR电阻器通常采用惠斯通桥配置。AMR角度传感器由两个电阻桥采用45度夹角交错布置。常规测量结构详见图3、图4给出了管芯中两个电阻桥的布置形式(传感器A和B)。

角度测量首先要计算电阻桥A和B之间的输出信号比，然后，再用反正切函数直接计算角度。恩智浦角度测量智能传感器系统的配置形式详见图5。两个AMR电阻桥的输出信号均经过了放大和数字化处理。角度计算本身通过数字逻辑单元执行。输出的角度测量结果可以是数字或模拟格式，主要取决于器件类型。恩智浦传感器系统完全满足汽车领域的应用需求，不仅适合40～160℃工作温度范围。还能对所有引脚提供最高26V的超压保护。奠他特点包括自诊断、模拟／数字接口、温度监控和用户编程。

KMA210传感器采用的设计原理如图5所示。图6给出了该传感器的示意图，通过集成阻塞电容器和输出电容器，无需安装外部器件。与现有的智能传感器相比，KMA210无论测量精度和EMC性能都有显著提升。信号处理ASIC单元采用了SOI 140nmABCD9 CMOS工艺制造，不仅EMC性能更加出色，同时还能满足高压和低功耗要求。

应用

要用AMR传感器准确测量磁场角度，磁场强度必须能使磁阻玻莫合金的磁化方向与外部磁场方向相同。根据产品技术参数，KMA210传感器的最小磁场强度要求为35kA／m。如果低于这一限值，则由于外部磁场强度的作用会出现角度偏差，详见图7。显而易见，随着磁场强度减弱，角度偏差逐步增大。图8给出了不同磁场强度下的最大预计角度误差。因此，优化磁铁几何形状的主要任务就是最大程度提高传感器部分的磁场强度。磁铁越大，磁场越强。不过，增大磁铁相应会增加成本。由于磁铁成本直接受稀土材料的用量影响，所以必须对给定体积的磁铁进行尺寸优化。为此，可采用有限元法(FEM)对不同大小的永磁铁进行磁场强度模拟计算。图9给出了传感器元件处的磁场强度模拟计算结果(传感器与永磁铁空气间隙2mm，磁铁体积250mm3)。由图中可以看出，磁铁大小为4.5×11×5mm。(下划线数字为磁化方向)时，SaCo磁铁的磁场强度达到最大值：100kA／m。

角度测量系统的物理结构偏差是影响测量结果的另一个原因。增大永磁铁和传感器之间的空气间隙会减弱磁场。但是，只要磁场强度大于规定的饱和磁场强度，则对角度测量结果影响会非常小。由于机械公差原因，偏心误差(即：转轴误差)是造成角度测量偏差的主要原因。为此，必须区别对待转轴的磁铁偏心与传感器偏心这两种情况。

由于机械公差原因，为了计算角度误差还需要进一步对模拟模型再优化。两个惠斯通电桥共有8个电阻，我们分别对每一个电阻的有限元模拟所产生的磁场矢量和磁场强度进行了研究(参见图4)。图11给出了0.5mm磁铁偏心的角度误差。图中的点划线表示相同磁场强度条件下理想均匀磁场的预计误差。从图中可以看出，最大角度误差从0.004。增加到0.0055，偏心没有太大影响。图12显示的是0.5mm传感器偏心的预计度误差。为便于比较，均匀磁场的角度误差同样以点划线表示。这种情况下的角度误差预计约为0.15。其他的模拟结果也表明，增加磁铁宽度而保持长度不变(磁化方向)可以减少角度误差，而增加长度对结果几乎没有影响。通过图9可以清楚地看出其中原因。增加磁铁宽度同时减小高度只会略微降低磁场强度，却可以改善传感器的磁场均匀性。相反地，如果增加磁铁长度将会大幅降低磁场强度，且无法改善磁场的均匀性。

结论

使用磁阻传感器可以实现高效磁角度测量，因为磁阻效应本身就是一种角度效应。本文主要介绍了由传感器和相关信号处理ASIC单元组成的角度测量系统。在很多实际应用中，这类传感器通常与永磁铁配套使用。通过模拟演示可以优化特定体积大小的磁铁尺寸。相对于机械公差，磁铁的偏心误差可以忽略不计。同样，只要磁铁有合理的尺寸设计，传感器的转轴偏心误差对角度误差的影响微乎其微。总体来看，磁阻传感器是很多应用的理想选择。