Датчики магнитного поля.
Ключевые технологии и новые перспективы.
Часть 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) — конкуренты датчиков Холла

PDF версия
В заключительной части статьи рассказывается об инновационных датчиках магнитного поля на основе передовых магниторезистивных (XMR) АМР/ГМР/ТМР-технологий. Инновационные XMR-датчики активно входят в данный рыночный сегмент и стремятся заполнить нишу, занятую датчиками Холла. XMR-датчики ориентированы на базу стандартов де-факто, созданную датчиками Холла, используют те же измерительные конфигурации, но показывают более высокие характеристики и имеют достаточно высокий уровень развития технологий, чтобы составить конкуренцию датчикам Холла. Впрочем, датчики Холла не торопятся уступать свои позиции, а ведущие производители непрерывно выводят на рынок новые предложения компонентов с улучшенными характеристиками и расширенными функциями. В связи с этим полный спектр современных инноваций в области датчиков магнитного поля охватывает датчики скорости, ключи, магнитометры и любые прежде существовавшие и возникающие применения на основе самых различных технологий.

Часть 1.

Часть 2.

Новые рыночные тенденции и технологии

По общему уровню развития измерительных технологий датчики Холла превосходят все остальные интегральные и неинтегральные датчики — в особенности в плане интеграции и благодаря наличию обширного набора коммерческих автомобильных CMOS ASIC-решений типичных автомобильных задач. Датчики Холла доминируют в автоэлектронике и во всех остальных сферах применения измерительных технологий датчиков магнитного поля — промышленной, потребительской/мобильной, медицинской [1–3].

Автомобильная электроника — ведущая сфера для датчиков магнитного поля как с точки зрения объемов выпуска (свыше 50% от общего объема рынка), так и в технологическом плане [1–9, 11–17]. Требования более высокой точности и надежности работы электронных систем в автомобильных условиях являются неизменными вызовами для усовершенствований датчиков с сохранением того же или более низкого уровня стоимости порядка нескольких долларов или даже центов. Недостатки датчиков Холла включают присущее им смещение, ограниченную чувствительность и температурную стабильность, вследствие чего для стандартных датчиков ограничены разрешение, механические и магнитные допуски в системе, линейность и в конечном итоге точность. Кроме того, датчики Холла имеют сравнительно высокое энергопотребление, что немаловажно для батарейных систем и потребительской электроники — второго по величине (примерно 37%) сегмента рынка датчиков магнитного поля. Достижение высоких измерительных характеристик ASIC Холла производится путем улучшений как сенсорных микросистем, так и схем обработки сигнала и обусловливает непрерывный выпуск новых, более совершенных версий датчиков.

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.

В свою очередь данный недостаток устраняется тем, что разработаны версии датчиков с интегрированными магнитными концентраторами (ИМК) датчиков положения и компасов [1, 12, 14, 32]. Датчики с вертикальными элементами Холла также позволяют обеспечивать более высокую чувствительность именно к рабочим компонентам магнитного поля, преобладающим в системах детектирования положения магнита [1, 12, 25, 32].

Нелинейность компенсируется при программировании в энергонезависимой памяти передаточной характеристики с множественными точками уставок (на сегодняшний день максимально известное значение — до 33). Стандартные линейные датчики Холла имеют узкий угловой диапазон линейности менее 90° (70–80°), но современные дифференциальные или дважды синусно-косинусные энкодеры позволили расширить линейный диапазон до полных 360° [1, 12].

Широкие магнитные и механические допуски в системе обеспечиваются посредством дифференциальных схем, а высокая измерительная точность достигается благодаря возможности запасания в перепрограммируемой памяти различных корректирующих коэффициентов [1, 3, 11, 12, 32]. Производители выпускают широкий набор микросхем с различными типами готового, избирательного или программируемого выходного интерфейса с функциями калибровки и диагностики, со всеми необходимыми схемами защиты от помех, короткого замыкания и обрывов по цепи питания и выхода — часто с интегрированными конденсаторами фильтров и выходными резисторами. Микросхемы датчиков Холла имеют высокий динамический диапазон измерений магнитных полей, широкий рабочий температурный диапазон, а также обладают высокой устойчивостью к электростатическому разряду и электромагнитной совместимостью.

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.

Тем не менее такие недостатки датчиков Холла, как ограниченная чувствительность, низкий уровень первичного сигнала и, как следствие, малый SNR (соотношение «сигнал-шум»), ограниченные разрешение, точность, воздушные зазоры и механические допуски в системах автоэлектроники вместе с малым энергопотреблением, актуальным для мобильных и носимых устройств, вынуждают рассматривать альтернативные способы достижения более высоких измерительных характеристик датчиков на основе других технологий датчиков магнитного поля. В последнее время разработчики автомобильной, потребительской и прочей электроники обратились к поиску решений на основе других технологий, объединенных общим названием XMR, где сочетание MR указывает на принадлежность к магниторезистивному типу датчиков, а X после подстановки уточняет тип магниторезистивного эффекта [9–12, 32, 33].

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.

ТМР (туннельные магниторезистивные) чувствительные элементы показывают еще более высокие изменения в удельном сопротивлении в зависимости от индукции приложенного магнитного поля, чем разработанные ранее технологии АМР и ГМР, более высокую чувствительность, разрешение, отсутствие потребности в усилителях сигнала, в том числе в структурах концентраторов магнитного потока и в катушке пресета/сброса, лучшую температурную стабильность, меньшее потребление энергии, лучшую линейность, широкий диапазон линейности [10, 33].

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

Таблица. Сравнение характеристик датчиков Холла и XMR

Технология

Ток, мА

Размер, мм

Чувствительность, мВ/В/мТл

Динамический
диапазон, мТл

Разрешение,
мТл

Рабочая
температура, °C

ИС Холла

5–20

1×1

0,05

1–100

50

до +150…160

АМР

1–10

1×1

1

0,0001–1

0,01

до +160

ГМР

1–10

0,6×0,6

3

0,01–3

0,2

до +150

ТМР

0,001–0,01

0,5×0,5

20

0,0001–20

0,01

до +200

Раннее поколение датчиков магнитного поля было основано на эффектах Холла и АМР, позднее — представлены аналогичные микросхемы на основе эффектов ГМР, а затем и ТМР, имеющие более высокие характеристики и достигшие необходимого уровня интеграции и коммерциализации. Современное поколение коммерческих датчиков магнитного поля включает полный спектр ИС Холла и менее обширный набор высокоинтегрированных АМР- и ГМР-компонентов [32]. ТМР-датчики — устройства самого последнего поколения, разработка которых сегодня только начинается [33].

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.

В первую очередь инновационные XMR-технологии датчиков охватывают нишу автомобильных датчиков положения и скорости. Компания NXP известна своими передовыми разработками модульных АМР-датчиков скорости и энкодеров [9, 11, 12, 34], а Infineon — ГМР-датчиков скорости и положения высокого уровня интеграции для ряда применений, в числе которых автомобильные являются ведущими [6, 9,11–12, 24]. Альтернативные линейные и угловые АМР-энкодеры предлагают компании Measurement Specialities и Diodes [35–37], а также Infineon [6].

Компания Sensitec имеет в своем портфолио и разрабатывает полный пакет модульных XMR-технологических решений [9]. Компании Honeywell и Murata предлагают использовать преимущества АМР-технологии в потребительской электронике и в качестве ключей — ввиду малого потребления мощности [38–40]. Компания NVE представила первый ТМР-датчик угла поворота [41], компания Freescale — ТМР-магнитные компасы [42], а самую широкую линейку ТМР-датчиков для любых прежде известных применений в настоящее время предлагает китайская компания MDT [10].

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.

Уже представлено достаточно много разработок специализированных XMR-датчиков для автомобильных систем, мобильных телефонов, промышленных применений. Лидирующие поставщики XMR-датчиков демонстрируют все более высокий уровень характеристик и интеграции и более низкие системные размеры, потребление мощности, цену, что действительно необходимо для успешной конкуренции с датчиками Холла. ИС Холла не уступают свои позиции и представляют собой даже более щедро пополняемую ведущими производителями компонентную и технологическую базу [42] для альтернативных инноваций на основе XMR-эффектов, обзор которых представлен далее в статье.

 

АМР-датчики компании NXP

Компания NXP известна инновациями в области АМР-датчиков, представляющих собой решения в виде высокоинтегрированных модулей уровня «система-в‑корпусе», готовые к встраиванию в клиентскую систему с минимальным набором внешних компонентов [11, 12, 34]. Среди первых подобных предложений компании NXP были импульсные (цифровые) датчики скорости ферромагнитных и магнитных роторов в виде готовых интегральных модулей, объединяющих в запатентованной модульной конструкции отдельно закорпусированные, но соединенные общим проводным фреймом сенсорный элемент и ASIC, а также входящий в модуль обратно смещающий магнит со стабилизирующим подмагничиванием (для датчиков ферромагнитного зубчатого ротора) либо меньший по размеру стабилизирующий магнит (для магнитных роторов) [11].

Позднее, но первой в числе других производителей NXP представила двухкорпусные интегральные АМР-модули для измерения угла поворота дипольного магнитного ротора, представляющие собой индивидуально закорпусированные сенсорный элемент и ASIC, связанные общим проводным фреймом. Самым последним достижением NXP стали полностью интегрированные в одном корпусе датчики угла поворота [9].

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:

  • KMI 16 — интегрированный датчик скорости;
  • KMI 17 — датчик скорости колеса.

Ключевые преимущества датчиков:

  • Измерение нулевой скорости.
  • Широкий воздушный зазор между датчиком и целью — порядка 2,9 мм.
  • Широкий частотный диапазон — 0–25 кГц.
  • Готовый выходной формат: выбор из выхода с ОК или двухпроводного ШИМ.
  • Гибкость монтажа.
  • Низкая системная цена.

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

KMI16/1 (рис. 20а, б) присутствует на рынке не меньше десяти лет [11], а KMI17/4 — сравнительно новое предложение для автомобильного рынка [34]. Оба прибора представляют собой датчики скорости ферромагнитного зубчатого ротора уровня «система-в‑корпусе», которые определяют скорость вращения ферромагнитного зубчатого ротора и опорные отметки. Оба состоят из МР-сенсорного элемента, ASIC и ферритового магнита, а KMI 17/4 также имеет конденсатор. Интерфейс датчика KMI16/1 — трехпроводной с открытым коллекторным выходом, частота цифрового выходного сигнала пропорциональна скорости вращения ротора. Интерфейс датчика KMI17/4 — двухпроводной ШИМ-токовый выход, имеющий низкий джиттер. Датчик обеспечен высокой электростатической защитой и совместим со стандартом AEC-Q100 REV-G (Grade 0).

Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система в корпусе от NXP

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:

  • KMA200 — программируемый датчик угла;
  • KMA210 — программируемый датчик угла;
  • KMA215 — программируемый датчик угла с интерфейсом SAE J2716 SENT;
  • KMA220 — двухканальный программируемый датчик угла;
  • KMA221 — программируемый датчик угла;
  • KMZ41 — датчик магнитного поля;
  • KMZ49 — датчик магнитного поля;
  • KMZ60 — датчик угла с интегрированным усилителем;
  • X3G-OH047; X3T-OH047; X3G-OH048; X3T-OH048 — датчики магнитного поля.

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:

  • Расширенный температурный диапазон.
  • Точность и надежность.
  • Независимость точности от температурных, магнитных дрейфов, механических допусков или срока службы/старения.
  • Низкая системная цена.

Основные применения:

  • Электронный контроль дросселя (ETC) или рециркуляции отработавших газов (EGR).
  • Переменная синхронизация клапанов Variable Valve Timing (VVT).
  • Системы электрического рулевого управления (EPS) — для определения крутящего момента и положения ротора серводвигателя.
  • Датчики угла поворота, положения и крутящего момента рулевой колонки.
  • Контроль стеклоочистителей.

KMA200 и KMA210 (рис. 20в, г) — первые программируемые модульные датчики уровня «система-в‑корпусе», состоящие из сенсорного элемента и ASIC с EEPROM, связанных между собой проводным фреймом. Ранее АМР-датчики NXP были рассчитаны на применение отдельных ASIC, которые также предлагались данным производителем [12, 32].

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).

Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система в корпусе от NXP

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)

Технологическую «верхушку» линейки АМР-датчиков положения NXP составляют интегральные датчики в одном корпусе KMA220 (рис. 20д–з), KMA221, а полный спектр инноваций включает и модульный датчик KMA215 с интерфейсом SENT (рис. 20и), представленный в самое последнее время [9, 34], и KMZ 60 (рис. 20к, л), объединяющий два кристалла в корпусе, второй из которых представляет собой ИС с усилителем. Типовое применение семейства KMA2xy — контроль положения дроссельной заслонки (рис. 20з), а датчик KMZ 60 рассчитан на применения в системах EPS для контроля BLDC-двигателей (рис. 20л) и многие другие.

Модульные АМР-датчики угловой скорости и положения уровня система-в-корпусе от NXP

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

KMA215 — датчик магнитного поля в модульном корпусе (рис. 20и), таком же, как и у KMA200 и KMA210, отличающийся от них прежде всего цифровым выходом SAE J2716 JAN2010 Single Edge Nibble Transmission (SENT), согласующимся с новыми требованиями автомобильной функциональной безопасности [19].

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.

 

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.

В 2014 году MEAS расширила ассортимент своей продукции магниторезистивных (АМР) датчиков двумя новыми предложениями компонентов [35–36]. Один из них представляет собой цифровой датчик уровня «система-на-кристалле» для угловых или линейных измерений KMA36‑SPI, а второе дополнение к линейке — новая серия линейных энкодеров KMXP (рис. 21).

Новые линейные и угловые АМР-энкодеры Measurement Specialities

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.

 

Другие примеры АМР-датчиков — энкодеры в диапазоне до 180°

Еще в 2008 году компания Diodes приобрела компанию Zetex — известного производителя АМР-датчиков, и в настоящее время предлагает линейку датчиков для линейных и угловых измерений. В портфолио представлен датчик ZMT32 в диапазоне до 180° угла поворота дипольного магнита, функционирующий в расширенном температурном диапазоне до +160 °C.

ZMT32 объединяет два гальванически развязанных моста Уитстона с угловым смещением в 45°, каждый из которых по отдельности покрывает угол поворота вектора магнитного поля до 45°, а благодаря известным вычислительным алгоритмам — до 180°. Вращающееся магнитное поле является источником двух синусоидальных сигналов (sin 2φ и cos 2φ, где φ — угол поворота), для которых требуется внешняя обработка с применением функции арктангенса для вычисления относительного угла φ между сенсорной осью и направлением поля. Датчик ZMT32 функционирует в условиях слабых магнитных полей Hrot = 8–25 кА/м. Типичные области применения — измерения углов и угловой скорости в автоэлектронике и других областях.

Новый аналоговый iAMR-энкодер угла TLE5109

В 2013 году Infineon добавила в свое портфолио еще одну свою инновационную разработку — аналоговый АМР-датчик с синусно-косинусными выходами TLE5109, открывающий новое семейство iAMR-энкодеров угла в диапазоне до 180°.

Заявленные ключевые признаки устройства:

  • Постоянная амплитуда вне зависимости от температуры.
  • Встроенная температурная компенсация смещения.
  • Временная задержка — около 9 мкс.
  • Угловая ошибка 1,2°.
  • Скорость до 30,000 об/мин.
  • Автомобильная квалификация в диапазоне до +125 °C.

Общие характеристики:

  • Однозначное детектирование в угловом диапазоне до 180°.
  • Предусиленные сигналы, отсутствие необходимости в дополнительном усилителе.
  • Температурно-скомпенсированные амплитуды, использование полного диапазона АЦП в температурном диапазоне.
  • Одноконечный и дифференциальные выходы, независимость от используемого МК.
  • Диагностические функции — повышенный уровень безопасности.

АМР-датчики Murata. Чувствительность в 3D

В ответ на потребности клиентов в АМР-датчиках, Murata представила в 2013 году первый в мире АМР-датчик с омнинаправленной чувствительностью к магнитному полю параллельно поверхности корпуса в диапазоне 360° с использованием магнитной сенсорной технологии NEC Corp [38] (рис. 22). Результатом разработки стал АМР-датчик, чувствительный во всех направлениях в диапазоне 360° и способный выполнять функции нескольких обычных приборов. Новый продукт MRMS591A имеет более доступную цену и допускает детектирование магнитного поля посредством одного компактного устройства. Размеры компактного корпуса составляют 1,45×1,45×0,55 мм.

АМР-датчик Murata

Рис. 22. АМР-датчик Murata:
а) внешний вид;
б) сравнение чувствительности обычного АМР-датчика с чувствительностью датчика Murata

Производитель заявляет о 3D-способности данного датчика к обнаружению магнитного поля, для чего прежде требовались несколько (3–6) датчиков магнитного поля. АМР-датчик представляет собой тип устройства, которое использует свойство изменения магнитосопротивления под действием магнитного поля, приложенного в определенном направлении. Подобные типы датчиков применяются, например, в сотовых телефонах или ноутбуках, для контроля открытия/закрытия дверей, рефрижераторов, а также для детектирования вращения в интеллектуальных расходомерах.

Эти датчики рекомендованы для установки в таких приборах, как расходомеры электроэнергии, газа и воды, устройства охранной безопасности, игровые машины, переключение при обнаружении мобильного телефона в устройствах помощи слуху.

Высокочувствительные АМР-датчики Honeywell с энергопотреблением в диапазоне нанотока

Компания Honeywell представила первые в отрасли интегральные схемы анизотропных магниторезистивных датчиков серии Nanopower — SM353LT и SM351LT в миниатюрных корпусах SOT‑23 для поверхностного монтажа на плату [39–40].

Одна из причин, по которой компания Honeywell предпочитает АМР-технологии датчикам Холла (у компании ранее уже имелась аналогичная версия ИС Холла), — существенное повышение цен на редкоземельные магниты, вторая — максимизация срока работы устройств от батарей. Новые ИС магниторезистивных датчиков Honeywell серии Nanopower предназначены для батарейных устройств благодаря нанопотреблению тока и высокой чувствительности в расчете на работу со слабыми магнитными материалами и большими воздушными зазорами.

Датчики срабатывают на любой, северный или южный полюс магнита, создающего магнитное поле, параллельное поверхности корпуса микросхемы, и не требуют pull-up-резистора. Сверхминиатюрный корпус SOT‑23 рассчитан на автоматический монтаж (рис. 23а–в).

Новая серия АМР-датчиков Honeywell Nanopower (SM351LT и SM353LT)

Рис. 23. Новая серия АМР-датчиков Honeywell Nanopower (SM351LT и SM353LT):
а) внешний вид;
б) сравнение чувствительности омниполярных датчиков Холла и АМР в тех же корпусах;
в) функциональная диаграмма SM351LT

Ключевые признаки серии — два высоких уровня магнитной чувствительности, осуществленные в двух версиях датчиков:

  • ультравысокая чувствительность (SM351LT): типичные значения составляют от 0,7 мТл до 1,1 мТл максимум;
  • очень высокая чувствительность (SM353LT): типичные значения — от 1,4 мТл до 2 мТл.

Энергопотребление датчиков находится в диапазоне нанотока — 360 нА для SM351LT и 310 нА для SM353LT.

По сравнению с другими широко используемыми магнитными технологиями АМР-датчики предлагают ряд преимуществ. Так, если сопоставить эти приборы с герконовыми реле, то ИС АМР-датчиков Nanopower меньше по размерам, но превосходят их по долговечности и надежности, обладают аналогичной чувствительностью, почти такой же стоимостью и низким энергопотреблением. АМР-датчики Nanopower предназначены для батарейных систем и работы при больших воздушных зазорах.

По сравнению с датчиками Холла чувствительность новых ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower выше: они могут работать при воздушных зазорах, в два раза превышающих зазоры для датчиков Холла. Более высокая чувствительность увеличивает гибкость проектирования и помогает добиться существенного снижения стоимости благодаря использованию более слабых или меньших по размерам магнитов. Независимость от полярности позволяет задействовать датчик как южным, так и северным полюсом, исключая необходимость определения полярности магнита, что упрощает установку и предоставляет возможность снизить системную стоимость.

ИС АМР-датчиков серии Nanopower рекомендованы для применения в широком диапазоне устройств с батарейным питанием, включая счетчики воды и газа, электричества, промышленные сигнализаторы дыма, тренировочное оборудование, системы безопасности, карманные компьютеры, сканеры, бытовую технику, в том числе посудомоечные машины, микроволновые печи, стиральные машины, холодильники и кофемашины, медицинское оборудование, например больничные кровати, устройства дозирования лекарств, инфузионные насосы, а также потребительские электронные устройства — ноутбуки, планшеты и переносные громкоговорители.

Технология АМР Honeywell в компасах и магнитометрах ST

Как известно, высокотехнологичные МЭМС-магнитометры, компасы и мультиосевые сенсорные решения для потребительской электроники компании STMicroelectronics используют технологию АМР-магнито-метров Honeywell.

Данная технология основана на тех же принципах, что и, например, у датчиков положения компании NXP (рис. 24а–г). В АМР-датчиках сопротивление ферромагнитных материалов представляет собой функцию угла между током и направлением намагниченности. Barber-структуры в сенсорных резисторах включают диагональные закорачивающие полосы, которые вызывают вращение тока на 45°, таким образом смещая датчик в линейный диапазон и повышая его чувствительность. АМР-датчики ST/Honeywell (например, компас LSM303DLHC) представляют собой объединение резисторов в полностью дифференциальный мост Уитстона с диагональными элементами, идентичными друг другу, но имеющими различную полярность, то есть при приложении поля сопротивление одних резисторов увеличивается, а других — уменьшается. При приложении поля изменение сопротивления каждого резистора на выходе моста формирует дифференциальное напряжение, пропорциональное измерению сопротивления под действием приложенного поля. Резисторы чувствительны к температурным изменениям, которые наводят напряжение смещения на выходе моста, но этот эффект может удаляться методом настройки и сброса (рис. 24д, е).

Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics

Рис. 24. Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics:
а) передаточная характеристика АМР-элемента в зависимости от приложенного поля;
б) изменение угла намагниченности АМР-элемента в приложенном поле;
в, г) структура АМР-элементов моста Уитстона (в) с эквивалентной схемой (г)

АМР-магнитометры ST/Honeywell используют технологию set/reset (настройки и сброса) АМР-элементов, что позволяет достигать высокой точности и повторяемости результатов измерений магнитного поля, полностью удаляя смещение посредством вычитания результатов ST/Honeywell и совмещая данный метод и с отлаженной технологией производства и контроля депонирования пермаллоевых пленок.

Магнитометры ST/Honeywell имеют встроенную функцию самотестирования и обеспечивают весьма конкурентоспособные измерительные характеристики (магнитное разрешение до 0, 2 мТл в диапазоне от ±0,13 до ±1,6 мТл, заявленная высокая точность и т. п.) вместе с неуклонным снижением размеров корпусов и достижением более плотной кристальной интеграции. В портфолио датчиков магнитного поля ST имеются как комби-датчики, так и автономные устройства. Пример автономного магнитометра — LIS3MDL — ультрамаломощный датчик с высокими характеристиками (рис. 24з–к).

Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics

Рис. 24. Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics:
д, е) сущность операций настройки и сброса (д) и результат (е) удаления смещения

Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics

Рис. 24. Применение технологии АМР Honeywell в компасах STMicroelectronics:
ж) эволюция размеров корпусов компасных модулей ST;
з, и) LSM303D — компасы последнего поколения в ультракомпактных корпусах:
з) устройство компаса;
и) функциональная блок-диаграмма LSM303DLHC;
к) функциональная блок-диаграмма магнитометра LIS3MDL

Компасы ST отличаются весьма низким потреблением мощности (ток потребления компаса в обычном режиме порядка 110 мкА). В режиме power-down оба датчика используют всего 1 мкА, в маломощном магнитометре — 40 мкА, в высокоразрешающем — 270 мкА.

Магнитометры ST рекомендованы как однокристальное решение для компасов со скомпенсированным наклоном, определения курса в магнитном поле Земли или компенсации дрейфа гироскопа в 9‑осевых мультисенсорных решениях.

 

Спектр ГМР-датчиков от компании NVE

Компания NVE предлагает широчайший спектр ГМР-датчиков для многих других применений в автоэлектронике, промышленности, основные группы которых включают аналоговые, цифровые и датчики зубчатого ротора [11, 12, 32].

Ключевые преимущества этих датчиков состоят в высокой чувствительности, высоком уровне первичного сигнала, отсутствии необходимости усиления, больших рабочих диапазонах (угловой диапазон — до 360°), зазорах и широких механических допусках, а недостатки — только в отсутствии интегрированной схемотехники того же уровня, что и у датчиков Холла, поэтому измерительная точность будет в большей степени зависеть от разработчика устройства верхнего уровня интеграции, чем от поставщика компонентов. Многие решения, например датчики скорости семейства AKL, являются достаточно высокоинтегрированными устройствами с готовым импульсным выходом [11].

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

Медицинский ГМР-ключ NVE BD027-14E

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.

 

ГМР-датчики скорости и угла Infineon

На данный момент Infineon производит два высокоинтегрированных ГМР-датчика скорости — TLE5025C и TLE5041plusC [6].

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.

ГМР-датчики скорости и положения Infineon

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

Список преимуществ включает низкий джиттер, высокую чувствительность, большой воздушный зазор, устойчивость к возмущающим полям и механическим напряжениям, рабочий температурный диапазон –40…+150 °C.

Целевые применения:

  • ESP (электронная система динамической стабилизации автомобиля).
  • АБС или ESP с косвенным мониторингом давления шин indirect TPM (iTPMS).
  • Контроль частоты вращения колес в АБС.
  • Контроль давления по окружности шин Circumference-based tire pressure monitoring (TPMC).
  • Частотный контроль давления в шинах Frequency-based tire pressure monitoring (TPMF).

ГМР-энкодеры для измерений угла и контроля BLDC-двигателей

Infineon — единственная фирма, которая предлагает для автомобильного сегмента коммерческие версии высокоинтегрированных ГМР-энкодеров и связывает большое будущее с применением ГМР-технологии для автомобильных датчиков положения и контроля бесколлекторных двигателей постоянного тока [6].

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.

ГМР-датчики скорости и положения Infineon

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:

  • 15‑битное абсолютное разрешение;
  • Время обновления вычислений угла — 42 мкс;
  • Интерфейсы: HSM, IIF, SPI, PWM, SPC;
  • SPI — 8 Мбит/с;
  • угловая ошибка — 1°.

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:

  • Разработки для систем — 3,3 и 5 В.
  • Угловой диапазон 360°.
  • Автомобильная квалификация в диапазоне (–40…+150 °C).

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

Примеры ТМР-датчиков MDT Technologies

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

В настоящее время у компании MDT имеются коммерческие версии датчиков с чувствительными ТМР-элементами практически всех известных типов (рис. 27), в том числе разработанных прежде для технологий эффектов Холла и XMR [10]:

  • ТМР-ключи — характеризуются ультранизким потреблением мощности порядка 1 мкА при высокоскоростной работе, рекомендуются для различных расходомеров.
  • ТМР-датчики зубчатого ротора способны детектировать роторы с малым шагом, подходят для обнаружения линейного и углового положения и в качестве датчиков скорости.
  • ТМР линейные датчики — это датчики для измерения линейного положения/перемещений с высокими рабочими характеристиками, включая высокую чувствительность, низкие шумы, высокий динамический диапазон, низкий гистерезис, которые разработаны для использования в качестве датчиков магнитного поля и тока.
  • ТМР-датчики угла — разработаны для бесконтактных измерений угла в 360° диапазоне с высокоамплитудным выходом напряжения и применения в качестве угловых датчиков положения и энкодеров.
  • ТМР магнитные датчики изображений — высокочувствительные 1/6/18‑канальные модули для магнитного считывания банкнот и карт, обладающие способностью извлечения магнитных изображений для применений с целью контроля финансов и против контрафакции.
  • ТМР электронные компасы — новые Z‑осевые компоненты для применений в потребительской электронике.
Примеры ТМР-датчиков MDT Technologies

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.

 

Заключение

Бесконтактность, высокая надежность, нечувствительность к грязи и влаге, отсутствию освещения, воздействию ускорения или гравитации — это основные преимущества магнитных систем. Бесконтактная магнитная сенсорная технология датчиков положения более надежна от природы, чем контактные и оптические технологии датчиков, высокочувствительные к загрязнениям пылью, грязью, инородными объектами, освещению или повышенным температурам.

Уровень развития технологии датчиков магнитного поля перекрывает любые виды чувствительности к температурным, механическим и электрическим воздействиям, включая косвенную чувствительность измерительных систем к ударам и вибрации, влияние нестабильности электрического интерфейса, перепадов температур и электромагнитных помех. Для датчиков магнитного поля характерно отсутствие хрупких частей, твердотельность, высокая степень интеграции и миниатюризации датчиков, способных работать в паре с малым постоянным магнитом или широким набором подходящих и недорогих роторов. Существует обширная и активно развиваемая компонентная база интегральных датчиков Холла и альтернативных XMR-решений для интеграции в стандартные измерительные конфигурации или МЭМС.

Лидирующие поставщики стремятся охватить все существующие и предлагают новые применения датчиков магнитного поля, оптимизируя свои новые предложения компонентов в плане обеспечения функциональности, уровня характеристик, энергосбережения, размеров корпусов. Параллельно лидеры в данной сфере демонстрируют новые уровни системной интеграции, функциональной безопасности, предлагают новые архитектуры, интегральные и неинтегральные технологии и решения, и даже новые комбинации датчиков магнитного поля с другими устройствами в микромасштабном измерении, например, с энергособирателями или МЭМС.

Рынок датчиков магнитного поля пребывает в ожидании следующей волны инноваций в связи с очевидными преимуществами ТМР-эффекта с точки зрения уровня обеспечиваемых ими характеристик. В качестве базы для инноваций могут использоваться те же хорошо известные измерительные конфигурации и принципы, положенные в основу функционирования ключей, датчиков скорости, положения, энкодеров или джойстиков, а собственно инновации ожидаются в виде итогового результата разработки ТМР-материалов, ASIC-решений, новых применений и продуктов на данной основе. Предстоит довольно интересная игра, в которую автор находит необходимым включаться уже сейчас.

Литература
  1. http://www.innovationsinsightmag.com/content/avtomobilnye-datchiki-polozheniya-i‑skorosti-datchiki-magnitnogo-polya-razvyornutyy-spisok /ссылка утеряна/.
  2. Сысоева С. C. Разработка нового поколения автомобильных датчиков скорости и положения // Компоненты и технологии. 2014. № 4.
  3. АМР-датчики магнитного поля компании NXP. Спектр актуальных решений различного уровня интеграции. http://www.innovationsinsightmag.com/articles/amr-datchiki-magnitnogo-polya-kompanii-nxp-spektr-aktualnyh-resheniy-razlichnogo-urovnya /ссылка утеряна/.
  4. KMA36‑SPI MEAS — новая версия углового и линейного энкодера KMA36 с цифровым выходом. http://www.innovationsinsightmag.com/news/kma36‑spi-meas-novaya-versiya-uglovogo-i‑lineynogo-enkodera-kma36‑s‑cifrovym-vyhodom /ссылка утеряна/.
  5. Новая серия АМР-датчиков KXMP Measurement Specialties. Линейные энкодеры в DFN-корпусах. http://www.innovationsinsightmag.com/news/novaya-seriya-amr-datchikov-kxmp-measurement-specialties-lineynye-enkodery-v‑dfn-korpusah /ссылка утеряна/.
  6. http://diodes.com/catalog/angle_sensors_109/zmt32.html
  7. Первый в мире АМР-датчик Murata с 3D сенсорными функциями. http://www.innovationsinsightmag.com/news/pervyy-v‑mire-amr-datchik-murata-s‑3d-sensornymi-funkciyami /ссылка утеряна/.
  8. Новая серия Nanopower АМР-датчиков Honewell — SM351LT и SM353LT. http://www.innovationsinsightmag.com/news/novaya-seriya-nanopower-amr-datchikov-honewell-sm351lt-i‑sm353lt /ссылка утеряна/.
  9. Switch Your Switch. Joshua Edberg, Honeywell Sensing & Control. http://www.sensorsmag.com/sensors-products/switch-your-switch‑14429 /ссылка утеряна/.
  10. Сысоева С. C. Магнитоуправляемые, MEMS- и мультисенсорные датчики движения 2009 года // Компоненты и технологии. 2009. № 8.
  11. Сысоева С. C. Мир МЭМС. Дальнейшая конвергенция датчиков движения и смежных технологий на массовых рынках // Компоненты и технологии. 2011. № 6.
  12. Micronas HAL 37xy — второе поколение угловых энкодеров на основе технологии 3D HAL. http://www.innovationsinsightmag.com/news/micronas-hal‑37xy-vtoroe-pokolenie-uglovyh-enkoderov-na-osnove-tehnologii‑3d-hal /ссылка утеряна/.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *