Магниторезистивный эффект
Магниторезистивные датчики фирмы NXP Semiconductors разработаны на основе эффекта изменения ориентации намагниченности М внутренних доменов в слое пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля H. Сопротивление пермаллоя зависит от угла (α) между направлением тока и вектором намагниченности M (рис. 1).
Рис. 1. Принцип магниторезистивного эффекта
Так, если угол равен 90°, то сопротивление датчика минимально. С уменьшением угла вплоть до 0° сопротивление возрастает. Магниторезистивные датчики компании NXP имеют следующие особенности:
- датчики реагируют на направление поля, а не на силу поля, как в датчиках, построенных на эффекте Холла;
- чувствительной зоной в сенсоре является область с максимальным насыщением напряжённости поля, поэтому достигаются: независимость от магнитного дрейфа на протяжении всего жизненного цикла, независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком), независимость от механических изменений, вызванных температурным напряжением, высокая стабильность по температуре, расширенный температурный диапазон от –40 до +160 °C (что позволяет, например, размещать датчики в подкапотном пространстве, в непосредственной близости к двигателю внутреннего сгорания).
Типы сенсоров NXP
Компания NXP выпускает датчики на основе магниторезистивного эффекта для измерения частоты вращения и измерения угловых координат серии KMI, KMA, KMZ.
Датчики измерения частоты вращения
Для измерения частоты вращения компания NXP предлагает датчики серии KMI16, KMI17. Датчик KMI16 поставляется в комплекте с магнитом.
Датчики измерения угловой координаты
В арсенале датчиков измерения угловой координаты компании NXP имеются датчики серии KMZ и KMA. Наиболее эффективными из датчиков углового положения семейства KMA2xx компании NXP являются программируемые датчики KMA210 и KMA215 – последний имеет цифровой выход SAE J2716 JAN2010 Single Edge Nibble Transmission (SENT). Они содержат не только чувствительные элементы, но и специальную интегральную схему с возможностью программирования по однопроводному интерфейсу. Датчики KMA210 идеально подходят для таких автомобильных применений, как бесконтактный датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) и электронной педали газа. В свете перехода всех производителей автомобилей на стандарт Евро5 эти датчики пользуются огромной популярностью.
Рисунок 2. Внутренняя структура датчика KMA210 с программируемым выходом
Основными особенностями датчика являются наличие защиты от перенапряжения и переполюсовки питания до 16 В, диагностика потери магнита и напряжения питания, наличие энергонезависимой памяти (EEPROM). Выпускаются датчики KMA210 и KMA215 в корпусе SIP3, позволяющем дополнительно задавать конфигурацию пространственного положения магниторезистивного элемента. Наличие встроенных конденсаторов позволяет избежать применения дополнительных внешних элементов.
Современные решения NXP для измерения угловой координаты представлены датчиками KMA220 (двухканальный) и KMA221 (одноканальный). Они обладают всеми теми же эксплуатационными свойствами и рабочими характеристиками, что и KMA210/215. Выпускаются в полностью закрытом корпусе SIL4, лишённом открытых проводников, соединяющих магниторезистивный элемент со специальной ИС. Для применения датчиков не требуются дополнительные внешние элементы – встроенные конденсаторы обеспечивают надежную работу во всех режимах, в полной мере допуская избежать применения дополнительных внешних элементов. KMA220 по своей конструкции является избыточным и содержит в себе две сенсорные системы. Это решение нацелено на применение в системах, предъявляющих повышенные требования к надёжности и безотказности.
В своём исполнении датчики не имеют дрейфа магнитных характеристик с течением времени, сохраняя их во всем диапазоне рабочих температур, при этом допускают механическую погрешность установки и механические сдвиги, вызванные изменениями температур.
Рисунок 3. Внутренняя структура датчика KMA220.
Магниторезистивные датчики KMZxx
Рисунок 4. Функциональная схема аналогового датчика KMZ60.
Датчик измерения угловой координаты KMZ60 представляет законченное решение для измерения угловых координат вращающихся объектов, он содержит в одном 8‑выводном корпусе магниторезистивный датчик и схему обработки (рис. 4). В сравнении с KMZ41 и KMZ43, датчик KMZ60 имеет более расширенные возможности и схему температурной компенсации. Выходные напряжения по обоим каналам определяются синусом и косинусом угла ориентации напряжённости магнитного поля, при этом согласованы по амплитуде и фазе. На выходе KMZ60 стоят операционные усилители, что позволяет подавать выходной сигнал непосредственно на АЦП. KMZ60 был специально разработан для работы с бесщёточными двигателями, например в электроусилителе рулевого управления (Electronic Power Steering – EPS).
Области применения магниторезистивных датчиков:
- автомобильная электроника (угол положения дворников, положение рулевого колеса в электроусилителе автомобиля, датчик положения дроссельной заслонки, угол положения педали газа и наклона сидений, угол поворота фар, активная подвеска автомобиля, системы безопасности (ABS, EBD, ESP), автоматические коробки передач и другие);
- промышленные применения (посудомоечные машины, робототехника, вильчатые подъёмники);
- медицинское оборудование;
- научно-исследовательская техника.
