巨磁阻多圈位置传感器的磁体设计

摘要

基于巨磁阻(GMR)传感技术的真正上电多圈传感器必将彻底改变工业和汽车用例中的位置传感市场，因为与现有解决方案相比，其系统复杂性和维护要求更低。本文说明了设计磁性系统时必须考虑的一些关键因素，以确保在要求严苛的应用中也能可靠运行。其中还介绍了一种磁性参考设计，方便早期采用该技术。在上一篇文章中，我们介绍了多圈传感技术以及一些关键应用领域，例如机器人、编码器和线控转向系统。

引言

多圈传感器本质上是将磁写入和电子读取存储器与传统的磁性角度传感器相结合，以提供高精度的绝对位置。“具有真正上电能力与零功耗的多圈位置传感器(TPO)”中描述的磁写入过程需要使用特定的操作窗口来维持入射磁场。如果磁场过高或过低，可能会出现磁写入错误。在设计系统磁体时必须小心仔细，并考虑可能干扰传感器的任何杂散磁场以及产品使用寿命内的机械公差。较小的杂散磁场可能会导致测量角度出现误差，而较大的杂散磁场可能会导致磁写入错误，从而引起总圈数错误。

磁性参考设计目标

设计出理想的磁体和屏蔽需要仔细了解系统要求。一般来说，系统要求越宽松，达到目标规格所需的磁体解决方案尺寸越大、成本越高。ADI正在开发一系列满足各种机械、杂散场和温度要求的磁性参考设计，可供ADMT4000真正上电多圈传感器的客户使用。ADI开发的第一个设计涵盖了公差相对宽松的系统：传感器到磁铁的距离为2.45 mm ± 1 mm，传感器到旋转轴的总位移为±0.6 mm，工作温度范围为–40˚C至+150˚C，杂散磁场屏蔽衰减大于90%。

磁性元件注意事项

设计磁体时，需要考虑一些关键注意事项，下一节内容概述了在为GMR传感器进行设计时需要考虑的主要方面。

磁体材料

GMR传感器在定义的磁窗口（16 mT至31 mT）1内运行；此外，最大和最小工作范围具有热系数(TC)，如图1中的红色迹线所示。选择TC与GMR传感器匹配的磁体材料最大限度地提高工作磁场的允许变化范围。这有助于增大磁体强度的变化和/或磁体相对于传感器的距离公差变化。铁氧体等低成本磁性材料的TC远远高于GMR传感器，与钐钴(SmCo)或钕铁硼(NeFeB)等材料相比，，其工作温度范围有限。

了解所选磁性材料的TC以及由于制造差异而导致的磁场强度变化后，即可确定室温(25°C)下所需的磁场强度。然后可以在室温下进行设计仿真，同时系统将在整个温度范围内按预期运行的可信度高。在图1中，绿色实线代表磁体根据设计应在GMR传感器的活动区域范围内产生的磁场强度窗口。由于磁性材料制造工艺的差异，该窗口小于GMR传感器的最大和最小操作窗口。绿色虚线表示由于>5%的典型制造差异而产生的最大和最小预期磁场。

1 ADMT4000发布之前，操作窗口可能会发生变化。

磁体仿真

机械操作环境中磁体的仿真可以采取不同的形式。通常用于设计磁体的仿真有两种类型：解析仿真或有限元分析(FEA)。解析仿真使用被仿真磁体的整体参数（尺寸、材料）求解出磁场，除了假设磁体在空气中运行之外，不考虑周围环境。这是一种快速的计算，在没有相邻铁磁材料时非常有用。FEA可以对较大磁性系统中含铁材料的影响进行建模，在将磁体与杂散磁场屏蔽或靠近磁体或传感器的铁磁材料组合时，此操作至关重要。FEA是一个耗时的过程，因此其通常将解析分析中的基本磁体设计作为起点。FEA用于对磁体和杂散场屏蔽的参考设计进行仿真。

磁铁设计特性

仿真产生的参考设计磁体由一个带有集成钢杂散场屏蔽的SmCo磁体组成，如图2所示。该磁体采用注塑成型设计，因此能够批量生产。SmCo磁体的注塑成型因能够生产复杂的形状而很常见，并且广泛用于汽车和工业应用。该组件根据设计可与直径为9毫米的轴形成过盈配合；然而，可以对衬套进行修改，以便连接到不同尺寸的轴。

磁体表征

我们对磁体组件进行了仔细的表征，以展示GMR传感器的强大磁性解决方案。表征的关键是能够绘制在扩展的磁铁到传感器距离窗口范围内磁场强度在受控环境中的详细图。表征成功的关键在于充分了解和校准所用的磁场探头。图3显示了在两个不同气隙下测量的磁场强度的示例，在整个工作温度范围和气隙范围内重复这些测量非常耗时，但此操作对于了解磁体性能以确保其在所需条件下正常运行至关重要。

结语

总之，参考设计磁体已被证明能够满足在–40°C至+150°C温度下工作的要求，气隙为2.45 mm ±1 mm，与传感器轴向距离公差为±0.6 mm。杂散场屏蔽的详细信息将在后续文章中介绍。

ADMT4000是首款集成式真正上电多圈位置传感器，必将显著降低系统设计复杂性和工作量，最终实现体积更小、重量更轻和成本更低的解决方案。该参考设计将提供给ADI的客户，无论设计人员是否具备磁性设计能力，均能借此为当前应用添加或改进现有功能，并为许多新应用打开大门。

如需了解有关ADMT4000和磁性参考设计的更多信息，请访问analog.com，或联系您当地的ADI销售团队，他们将乐于讨论您的要求和应用。

图1.工作窗口与典型SmCo磁体的热系数比较。

图2.参考设计磁体。

图3.气隙为1.42 mm和2.45 mm的磁场分布。

关于作者

Stephen Bradshaw拥有利兹大学电气工程学士学位，以及格拉斯哥大学光电学硕士和博士学位。在职业生涯的早期，Stephen曾负责意法半导体第一代手机摄像头中所用镜头的设计和表征，然后在Maroni钻研Gbps光收发器并在Nanotech Semiconductor参与了大部分光收发器的研发工作。Stephen在ADI公司工作已有10余年，在此期间担任应用工程师，为锂铁和铅酸电池监控产品线及磁性位置传感器业务提供支持。

Christian Nau是ADI公司的产品应用经理，拥有汽车电子和传感器方面的背景。他于2015年加入ADI公司，担任现场应用工程师和主题专家，为欧洲、中东和非洲地区的磁性传感器业务提供支持。自2019年以来，Christian一直在ADI公司的磁性传感器技术事业部工作，为现有产品的客户合作项目提供支持，并为该事业部未来在多个市场的发展方向出谋划策。

Enda Nicholl是ADI公司驻爱尔兰利默里克的磁性传感器战略营销经理。Enda是一名机械工程师，于2006年加入ADI公司。他在传感器和传感器接口产品领域拥有近30年的经验，涉及广泛的应用和市场，包括汽车和工业。在整个职业生涯中，Enda一直从事产品应用、现场应用和销售，以及战略业务开发和营销。

2023-2028巨磁阻传感器行业市场深度调研及投资前景预测分析报告

巨磁阻传感器（GMR传感器）市场规模不断扩大 全球布局企业数量众多

　　巨磁阻传感器，又称GMR传感器，是指一种基于巨磁电阻效应的传感器。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。

　　巨磁阻传感器可应用于电子、汽车、工业、计算机、微电子、生物技术、航空航天、国防军工等领域，是一种新型传感技术。与传统霍尔传感器相比，巨磁阻传感器能够在更大气隙下保证高灵敏度和高一致性，有着体积小、成本低、抗噪声能力强、工作温限宽、稳定性好、灵敏度高、响应速度快、相位精度高等优点。

　　巨磁阻传感器应用领域广泛，在汽车领域，其可用于变速箱、凸轮、ABS、曲轴等零部件的速度与位置检测场景；在计算机领域，其可用于计算机硬盘的读取磁头开发与制造场景，起到加快磁头读写速度、提高磁盘记录密度作用；在医疗领域，其可用于医学诊断中的心脏与脑部磁场测量场景；在航空航天领域，其可用于飞机与航天器的姿势、位置检测与控制场景。

　　根据新思界产业研究中心发布的《2023-2028年巨磁阻传感器（GMR传感器）行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》 显示，近年来，伴随着下游市场快速发展，巨磁阻传感器市场需求不断增加、规模不断扩大。2022年全球巨磁阻传感器市场规模已达2.4亿美元，同比增长7.8%。

　　全球范围内，巨磁阻传感器生产企业主要有美国Allegro MicroSystems、美国NVE、德国英飞凌、德国博世集团、德国Sensitec GmbH、日本雅马哈、日本Alps Alpin等国际企业以及江苏奥力威传感高科、南方电网电力科技、中科芯未来微电子、天津航空机电、无锡凌博电子、安徽诗昂电器等中国企业。

　　从国内市场来看，当前在全球电子产业向中国转移趋势不断加深以及智能汽车、航空航天等高技术领域快速发展背景下，巨磁阻传感器市场需求不断增加。目前我国已成为全球巨磁阻传感器需求增速最快的国家之一，在此背景下，本土企业纷纷入局市场，加大相关产品研发力度，国内巨磁阻传感器市场国产替代进程正持续提速。

　　新思界产业分析 人员表示，巨磁阻传感器是一类新型传感器件，在汽车、工业、医疗、航空航天等领域均有着广阔应用空间。近年来，随着下游市场快速发展，全球巨磁阻传感器市场规模正不断扩大，行业展现出良好发展前景。目前全球已有众多企业布局巨磁阻传感器市场，受技术限制，我国企业在全球市场竞争中仍处于弱势地位，未来还需持续提升技术水平，促进国内市场国产替代进程不断加快。

2023-2028年巨磁阻传感器（GMR传感器）行业市场深度调研及投资前景预测分析报告

报告供应：新思界

报告目录

...

二、巨磁阻传感器（GMR传感器）行业产品的差异化发展趋势第七节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业规模效应第八节 学习和经验效应第九节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业盈利水平第二章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业生产分析 第一节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业总体生产规模第二节 巨磁阻传感器（GMR传感器）产业集群分析第三节 巨磁阻传感器（GMR传感器）优势企业的产品策略第四节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业生产所面临的问题第五节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业产量变化趋势第三章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业市场分析 第一节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业市场规模第二节 市场潜力分析第三节 行业市场集中度第四节 终端市场分析第五节 区域市场分析第四章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业产品价格分析 第一节 价格弹性分析第二节 价格与成本的关系第三节 主要品牌及产品价位分析第四节 主要企业的价格策略第五节 价格在巨磁阻传感器（GMR传感器）行业竞争中的重要性第六节 低价策略与品牌战略第五章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业竞争分析 第一节 竞争分析理论基础第二节 行业内企业与品牌数量第三节 竞争格局第四节 竞争组群第五节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业竞争趋势第六节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业竞争策略分析第六章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业进出口分析 第一节 出口分析一、我国巨磁阻传感器（GMR传感器）行业出口量及增长情况二、巨磁阻传感器（GMR传感器）行业主要海外市场分布状况三、经营海外市场的主要巨磁阻传感器（GMR传感器）品牌分析第二节 进口分析一、我国巨磁阻传感器（GMR传感器）行业进口量及增长情况二、巨磁阻传感器（GMR传感器）行业进口产品主要品牌分析第七章 巨磁阻传感器（GMR传感器）上游行业分析 第一节 上游行业发展状况第二节 上游行业市场集中度第三节 上游行业发展趋势第四节 上游行业市场动态及对巨磁阻传感器（GMR传感器）x的影响分析第八章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业用户分析 第一节 用户认知程度第二节 用户关注因素一、功能二、产品质量三、价格四、产品设计第三节 用户其它特性第九章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业渠道分析 第一节 渠道对巨磁阻传感器（GMR传感器）行业的影响第二节 渠道格局第三节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业销售渠道要素对比第四节 主要企业渠道策略研究第五节 各区域市场主要代理商情况第十章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业替代品分析 第一节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业替代品种类第二节 替代品对巨磁阻传感器（GMR传感器）行业的影响第三节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业替代品发展趋势第十一章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业互补品分析 第一节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业互补品种类第二节 互补品对巨磁阻传感器（GMR传感器）行业的影响第三节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业互补品发展趋势第十二章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业品牌分析 第一节 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业品牌总体情况第二节 品牌传播第三节 品牌美誉度第四节 代理商对品牌的选择情况第五节 主要城市对巨磁阻传感器（GMR传感器）行业主要品牌的认知水平第六节 广告策略分析第十三章 巨磁阻传感器（GMR传感器）行业主导驱动因素 第一节 国家政策导向第二节 相关行业发展...

相关问答

1、巨磁阻传感器:灵敏度3.3mV/V·Gs~4.0mV/V·Gs;线性范围:–8.0Gs~+8.0Gs;饱和磁场15Gs。2、传感器工作电源:4V~15V连续可调。3、传感器测量信号4位.....

半导体有大的磁电阻各向异性。利用磁电阻效应,可以制成磁敏电阻元件,其常用材料有锑化铟、砷化铟等。磁敏电阻元件主要用来构造位移传感器、转速传感器、位置...

[最佳回答]物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应.对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属,当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时,电阻几乎不随外加磁场变化...

磁阻式探头的测量原理就是利用阻抗的变化产生脉冲信号,严格说线圈本身的阻值是不变的,150欧姆左右。但是在有转速信号存在时会产生感应电势。所以这时候测电阻...

磁阻传感器结构比较简单,输出信号较小,不宜在振动剧烈的场合使用。闭磁路式转速传感器由装在转轴上的外齿轮、内齿轮、线圈和永久磁铁构成。内、外齿轮有相同...

(MR传感器)是一种利用磁电阻效应(也称为巨磁电阻效应)进行测量的传感器。它能够检测磁场的变化,衡量磁场大小或方向。以下是磁电阻传感器的测量...磁电阻传感...

1、巨磁阻传感器:灵敏度3.3mV/V·Gs~4.0mV/V·Gs;线性范围:–8.0Gs~+8.0Gs;饱和磁场15Gs。2、传感器工作电源:4V~15V连续可调。3、传感器测量信号4位.....

1、磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。2、霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器3、霍尔效应技术的特点是允许你在任意慢速下能检测运...

[回答]能源生产量仅次于美国和俄罗斯,居世界第位;介绍了轴磁阻传感器MMC3120MQ的技术特点,并利用此传感器、轴加速度传感器ADXL335和微控制器MSP430F2618...

磁性传感器是一种可检测磁铁,以及电流产生的磁场或地磁场的强度和方向的传感器。磁场存在于我们身边,只是用肉眼看不见它,但我们可以借助磁性传感器来检测出它...