用于汽车传动系统的高度集成磁场传感器

　　摘要：异向性磁阻(AMR)效应是汽车领域众多传感器应用的基础，AMR传感器具有性能稳定、工作温差大、耐用等多种优势。包括节气门、电子线控和线控转向等系统在内的机械系统角度测量是一个非常重要的应用领域，AMR传感器可以提高机械系统效率，对开发环保型汽车具有直接意义。本文将以高度集成的角位传感器KMA210为例，详细探讨如何使用AMR角度传感器。

　　关键词：AMR;汽车传动系统;传感器;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°(25℃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[1]，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[2]。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[3]。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81%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[2]。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°夹角交错布置[3]。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。其他特点包括自诊断、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 140nm ABCD9 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。