【導(dǎo)讀】巨磁阻（GMR）技術(shù)為一系列汽車應(yīng)用提供了關(guān)鍵優(yōu)勢。了解其工作原理、與替代方法的比較以及可用的GMR傳感器解決方案的類型。GMR傳感器的工作原理是巨磁阻。這是一種在具有交替鐵磁和非磁性層的多層薄膜結(jié)構(gòu)中觀察到的量子力學(xué)現(xiàn)象（圖1）。由于鐵磁層中電子自旋的對齊，這些結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)隨著外部磁場的變化而變化。
巨磁阻（GMR）技術(shù)為一系列汽車應(yīng)用提供了關(guān)鍵優(yōu)勢。了解其工作原理、與替代方法的比較以及可用的GMR傳感器解決方案的類型。
巨磁阻（GMR）元件是納米技術(shù)的突破，是當(dāng)今汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)。這些傳感器具有高靈敏度和高精度，不僅提高了各種汽車系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，還提高了車輛的安全性和效率。
在本文中，我們將探討GMR傳感器的操作原理、模型和優(yōu)勢，并介紹一些用于汽車應(yīng)用的傳感器解決方案。
GMR傳感器：基本工作原理
GMR傳感器的工作原理是巨磁阻。這是一種在具有交替鐵磁和非磁性層的多層薄膜結(jié)構(gòu)中觀察到的量子力學(xué)現(xiàn)象（圖1）。由于鐵磁層中電子自旋的對齊，這些結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)隨著外部磁場的變化而變化。
GMR傳感器的工作原理是交替使用鐵磁層和非磁性層。電阻值會(huì)隨著外部磁場的變化而變化。
圖1. GMR傳感器的工作原理是交替使用鐵磁層和非磁性層。電阻值會(huì)隨著外部磁場的變化而變化。
這種排列可以是平行或反平行的，它會(huì)影響電子散射并改變電阻。在平行排列中，散射減少，導(dǎo)致電阻降低，而反平行排列會(huì)增加散射和電阻。這些傳感器檢測磁場變化的能力源于這種可變電阻特性，使它們能夠作為高度準(zhǔn)確和可靠的傳感器元件。
汽車傳感技術(shù)的演變
傳統(tǒng)上，汽車依靠機(jī)械或不太敏感的電磁傳感器來實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)的各種功能。這些舊系統(tǒng)雖然功能齊全，但在精度、耐用性和效率方面存在局限性：
速度和位置傳感：過去，車輛大多使用機(jī)械系統(tǒng)或基本磁傳感器來確定速度和位置。這些系統(tǒng)不僅容易磨損，而且存在精度問題。
發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)：早期的發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)機(jī)構(gòu)主要是機(jī)械式的，往往缺乏現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)所需的精度，導(dǎo)致燃油燃燒不充分，排放量較高。這些系統(tǒng)的機(jī)械特性也使它們更容易隨著時(shí)間的推移而退化，從而損害發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率和可靠性。
安全系統(tǒng)：關(guān)鍵安全系統(tǒng)的初始版本，如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），面臨著效率挑戰(zhàn)。這主要是由于檢測車輪速度和滑移的傳感器精度有限。因此，早期的ABS系統(tǒng)在緊急制動(dòng)時(shí)不能有效地防止車輪抱死，可能會(huì)危及車輛安全。
飽和模型與線性模型
在飽和模型中，GMR傳感器在磁場強(qiáng)度足以使鐵磁層內(nèi)的所有磁矩對齊的狀態(tài)下工作，導(dǎo)致電阻最大程度地降低。然而，在達(dá)到飽和狀態(tài)后，傳感器對磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增加的敏感度會(huì)顯著降低。
飽和模型的主要特征包括：
強(qiáng)磁場：強(qiáng)磁場是實(shí)現(xiàn)飽和所必需的。
二進(jìn)制輸出：非常適合需要簡單開/關(guān)響應(yīng)的應(yīng)用。
穩(wěn)定性：飽和時(shí)對磁場微小波動(dòng)不那么敏感。
線性模型在較低磁場范圍內(nèi)運(yùn)行，磁矩的對齊是不完整的。這種部分對齊提供了磁場強(qiáng)度和電阻之間的關(guān)系，通常是線性的，盡管根據(jù)材料特性和傳感器設(shè)計(jì)可能會(huì)有偏差。
線性模型的特征包括：
高靈敏度：對磁場中的微小變化有高度響應(yīng)。
比例響應(yīng)：對磁場強(qiáng)度的變化提供連續(xù)的、準(zhǔn)線性的響應(yīng)。
動(dòng)態(tài)范圍：適用于需要感應(yīng)一系列磁場強(qiáng)度的應(yīng)用。
飽和模型和線性模型之間的選擇取決于車輛內(nèi)的具體應(yīng)用。線性模型通常更復(fù)雜，用于需要詳細(xì)信息的系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用中，它們適用于精確測量部件位置，提供響應(yīng)梯度，允許對發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)進(jìn)行微調(diào)。
飽和模型用于二元信息充足的情況，例如檢測特定位置是否存在組件。在成本和集成方面，飽和模型更簡單，具有成本效益，更容易集成到車輛的各個(gè)部分以及空間受限的汽車應(yīng)用中。
組件選擇的注意事項(xiàng)
飽和模型和線性模型之間的選擇取決于車輛內(nèi)的具體應(yīng)用。用于ABS等系統(tǒng)進(jìn)行車輪速度檢測的線性模型通常更復(fù)雜，適合精確測量部件位置或方向。它們提供梯度響應(yīng)，允許在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)等應(yīng)用中進(jìn)行微調(diào)。
飽和模型非常適合二進(jìn)制信息充足的應(yīng)用，例如用于檢測特定位置是否存在組件的簡單接近傳感器。在成本和集成方面，它們的設(shè)計(jì)更簡單，使其具有成本效益、魯棒性，并且更容易集成到車輛的各個(gè)部分，包括空間受限的應(yīng)用。
汽車應(yīng)用中的益處
檢測磁場微小變化的能力使得基于GMR技術(shù)的高精度速度和位置傳感器得以發(fā)展。GMR傳感器能夠精確測量曲軸和凸輪軸的位置，這對發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)至關(guān)重要。這也有助于優(yōu)化燃油噴射和點(diǎn)火正時(shí)，從而更有效地利用燃料并減少排放（圖2）。
各種汽車子系統(tǒng)可以利用GMR。
圖2:各種汽車子系統(tǒng)可以利用GMR。
將GMR傳感器集成到ABS和電子穩(wěn)定控制（ESC）等安全系統(tǒng)中也可以提高其有效性。這些傳感器可以更快、更準(zhǔn)確地檢測車輪速度和滑移，從而提供響應(yīng)更快、更可靠的安全系統(tǒng)。
隨著全球汽車行業(yè)向電動(dòng)汽車（EV）轉(zhuǎn)變以最大限度地減少排放，GMR技術(shù)將在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮潛在作用。精確感知電流和電壓對于優(yōu)化電池性能和壽命至關(guān)重要。
同樣，GMR傳感器因其高靈敏度和準(zhǔn)確性將成為自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的組成部分，這對自動(dòng)駕駛汽車的復(fù)雜傳感要求至關(guān)重要。
汽車應(yīng)用傳感器解決方案
就其本身而言，阿爾卑斯山提供基于GMR技術(shù)的各種適用于汽車應(yīng)用的傳感器。其基于GMR的傳感器包括角度傳感器、編碼器和開關(guān)，提供了一系列增強(qiáng)性能和安全性的功能。
主要優(yōu)勢包括：
高穩(wěn)定性：確保關(guān)鍵汽車系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
低噪音：最大限度地減少電磁干擾，確保讀數(shù)高度準(zhǔn)確可靠。
低功耗：適用于以能效為優(yōu)先的汽車應(yīng)用。
高靈敏度：能夠檢測微小的角度變化，以進(jìn)行精確控制。
高耐用性：經(jīng)久耐用，能夠抵御惡劣的汽車環(huán)境。
寬工作溫度范圍：適用于汽車環(huán)境中各種典型氣候條件。
現(xiàn)在讓我們來研究一些基于GMR的傳感器解決方案。
HGARPS011A和HGARAN角度傳感器
HGARPS011A角度傳感器采用TSSOP-8封裝，非常適合空間受限的應(yīng)用（圖3）。該產(chǎn)品具有兩個(gè)方向和兩個(gè)全橋的多功能性，提高了傳感器的精度。此外，寬廣的工作溫度范圍（-40°C至+150°C）確保了汽車設(shè)置中典型高溫環(huán)境的可靠性。主要應(yīng)用包括轉(zhuǎn)向角、換檔和電機(jī)控制系統(tǒng)，如EPS。
HGARPS011A采用TSSOP-8封裝，是一款非常適合空間受限的汽車應(yīng)用的角傳感器。
圖3.HGARPS011A采用TSSOP-8封裝，是一款非常適合空間受限的汽車應(yīng)用的角傳感器。
HGARAN系列采用雙相輸出和兩個(gè)全橋，可提供詳細(xì)的角檢測。其小型DFN1810封裝可無縫集成到緊湊型系統(tǒng)中。由于電流消耗低，橋電阻為5kΩ，設(shè)計(jì)人員可以利用HGARAN降低功耗。主要應(yīng)用包括位置檢測和電機(jī)控制。
HGPRDT007A和HGDVST編碼器
HGPRDT系列編碼器（HGPRDT007A）采用緊湊型SOT-23封裝，具有兩相輸出，可實(shí)現(xiàn)高精度的旋轉(zhuǎn)和電機(jī)控制系統(tǒng)。該產(chǎn)品系列具有高輸出穩(wěn)定性，可確保在不同操作條件下性能一致。主要應(yīng)用包括電動(dòng)車窗、滑門、尾門和天窗（圖4）。
與傳統(tǒng)的霍爾編碼器相比，HGPRDT007A GMR編碼器在一個(gè)封裝中提供了兩相輸出，相移為50%。
圖4.與傳統(tǒng)的霍爾編碼器相比，HGPRDT007A GMR編碼器在一個(gè)封裝中提供了兩相輸出，相移為50%。
HGDVST設(shè)計(jì)為小型SOT-23-5封裝的單極、單輸出型開關(guān)輸出傳感器。該產(chǎn)品具有高度的抗電磁干擾性，這是當(dāng)今汽車電磁復(fù)雜環(huán)境的基本品質(zhì)。
該設(shè)備適用于非接觸式汽車應(yīng)用，如門鎖和尾門位置檢測。與機(jī)械開關(guān)相比，其非接觸特性可確保使用壽命更長，不易磨損。
更高效的車輛設(shè)計(jì)技術(shù)
GMR元件不僅在改變現(xiàn)有的汽車技術(shù)，而且為未來的創(chuàng)新鋪平了道路。GMR技術(shù)的精度、靈敏度和可靠性繼續(xù)推動(dòng)著汽車性能、安全性和效率的提高。隨著技術(shù)的進(jìn)步，GMR元件在汽車應(yīng)用中的潛在應(yīng)用將擴(kuò)大，有助于開發(fā)更高效的汽車設(shè)計(jì)。
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