GMR技术节省汽车燃料

汽车行业继续推动更高效的燃料消耗和减少二氧化碳排放。GMR 技术比现有的霍尔解决方案提高了性能并扩展了操作能力。GMR 传感器（磁阻效应和磁场传感器）的特点是它们对磁场的响应与频率无关。因此，有可能以kHz数量级的发生率获得良好的灵敏度和最大的输出信号。

GMR技术

GMR 技术利用了在各种铁磁多层中观察到的量子磁阻力学。由于 Albert Fert 和 Peter Grunderb 的研究，这项研究获得了诺贝尔奖。这种效应显着改变了电阻，具体取决于相邻铁磁元件的磁化强度。通过施加外部磁场来组织磁化方向。结果是电子对旋转方向的散射依赖性。

以下公式描述了磁阻：

其中 R （H） 是样品在磁场 H 中的电阻，R （0） 对应于 H = 0。

该表达式的替代形式可以使用电阻率而不是电阻。

基本原理取决于电子的旋转。在磁电阻器中，电子散射速度随着电子自旋和介质磁取向的相互作用而变化，其中电压在其中传播——GMR 换能器的电阻在磁场存在时发生变化。

GMR 传感器特别有希望开发创新的混合传感器模型，以通过电磁方式检测和表征导电多层中的地下不连续性。这些混合传感器集成了一个传统线圈，它在被检查材料中产生交变磁场，以及一个 GMR 传感器作为检测元件，用于检测由于相互作用引起的磁场干扰。与霍尔效应技术一样，GMR 与信号调理电路是单片内聚的。输出指示比霍尔指针大得多，具有更高的信噪比和更低的输出波抖动。这些特性使 GMR 传感器能够检测更远距离的物体。

评估 GMR 传感器选择的主要特征包括几个重要元素。首先，最重要的考虑是易于设计，“解决方案必须是一个完全集成的模块，包括磁铁和保护组件，以在用户完成的传感器设计中实现最佳性能。包含磁铁和 EMC 保护大大简化了 GMR 传感器的设计，”Allegro 的发言人说。第二个考虑因素是外部磁场干扰及其破坏输出信号的能力。

“通过使用差分传感技术消除了共模场。然而，除共模场外的杂散场会破坏磁传感器的输出信号，需要在设计过程中加以考虑，”Allegro Microsystems 产品线经理 Christine Graham 说。

主要的设计考虑是优化磁路以利用 GMR 技术实现卓越的性能，因此，这是 GMR IC 供应商必须完成的原因。将 GMR IC 和磁体设计为一个系统最好由了解 GMR 设计的人员来完成。

变速箱设计需要更小更轻，以提高效率和燃油经济性。这对速度传感器周围的安装位置和公差产生了显着的空间限制。解决方案是通过在更远的气隙上运行来提供更大的灵活性，而无需牺牲在更近的气隙上运行的前代部件的预期性能。

Allegro Microsystems 宣布推出其 ATS19580，这是业界首款完全集成和重新集成的巨磁阻传输方向和速度传感器 （GMR）。由于其高度集成，ATS19580 提供了高抗振性，并减小了系统尺寸、复杂性和成本，从而节省了燃料。Allegro 拥有领先数字处理的专有技术为传输速度传感设定了新标准。ATS19580 的功能简化了客户速度传感器的集成，并允许他们设计安全且省油的系统（图 1 和图 2）。

“在 GMR 传感器设计过程中，最关键的部分是传感器的工作范围和信号精度。在较远的气隙下运行，但不允许我们的客户和汽车制造商在总有效气隙范围内有足够的容差，这不会被视为一种解决方案，因为它会增加设计如此精确的机械系统的成本。此外，必须不以牺牲信号精度为代价，因此需要保持动态气隙能力、抗振性和热梯度补偿。这些用于终端系统补偿的算法开发已经有 20 年了，”Christine 说。

“传输是 ATS19580LSN 的目标市场。然而，任何根据速度、方向或脉冲计数确定的档位都可以从传感器的功能中受益。例如休闲车（即 UTV、雪地摩托、叉车等），”克里斯汀说。

图 1：ATS19580 的功能框图

图 2：ATS19580 GMR 传感器的典型应用电路

霍尔和 GMR 技术

磁场检测使用 GMR 和霍尔效应传感器。这两种技能都与集成电路处理兼容。

磁阻传感器提供的灵敏度高于霍尔传感器。GMR 传感器的灵敏度可通过选择薄膜厚度和线宽进行调节。相反，霍尔效应有利于在没有饱和效应的情况下进行高度线性测量，直至极高场强（图 3）。

图 3：霍尔 （a） 和 GMR （b） 传感器布局

霍尔效应传感器可以检测垂直磁场，而磁阻传感器与平行草皮一起工作。因此，GMR 传感器由单极传感组成，以确保精度。非接触式位移应用，例如医疗分析仪和磁场编码器。然而，霍尔效应传感器确定齿轮齿的接近度作为 CNC 机床并测量传输速度。

驾驶员辅助系统在灵敏度方面需要更高的准确性和可靠的系统。巨磁电阻 （GMR） 是满足这些高级要求的有力候选者，它取代了霍尔效应作为传感传感器。原则上，GMR 和霍尔都是磁传感器，但两者的基本操作和能力不同。

基于霍尔的磁感应场的最小微分值小于 30 高斯，这与 GMR 技术不同，后者可低至 5 高斯。GMR 需要更严格的设计条件，并提供定义的线性范围以及 100 高斯范围内的理想峰峰值磁信号幅度。

一般来说，所有设备都可以在磁性设计范围之外运行而不会造成永久性损坏。但是，根据信号处理算法的不同，性能可能会下降。在 GMR 传感器中，这种退化可能会以更高的成本发生。

审核编辑：彭静