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优化传感器系统设计以获得卓越性能

2024-04-12 Allegro 阅读:
使用电流和位置传感的应用和用例风行,推动了此类传感器的需求不断增加;而这些应用对传感器性能和精度的要求也越来越高,霍尔效应和分流器等传统解决方案已经难以满足需求。于是隧道磁阻 (TMR) 效应技术乘势而起。

与传统元素不同,TMR 是全新的磁传感器技术,具有不易受温度变化影响的固有优势,同时提供超高的磁灵敏度和低噪声。lqQednc

这种新的出色解决方案还具有其他优势,包括高信噪比 (SNR)、低功耗、可编程过流检测和故障引脚、双向检测以及可确保安全的高压隔离。lqQednc

用途广泛的 TMR 技术解决方案为要求苛刻的应用提供强劲性能,并可集成到现有设计中,以提供更好的性能并降低整体解决方案总成本。lqQednc

最后,TMR 比传统解决方案精简得多,组件数量更少,减少了对供应链的依赖。lqQednc

在 xMR 技术(AMR、GMR、TMR)领域存在一种错误假设,即这些技术可提供类似的性能、稳定性和可靠性。事实上,TMR 的固有灵敏度非常高,远远高于其他 xMR 技术。lqQednc

由于 TMR 具有更高级别的性能优势,全球有许多磁传感器公司都推出了基于 TMR 的产品,但并非所有这些解决方案都是一样的。Allegro 的传感器是基于 XtremeSense™ TMR 的高性能解决方案,与其他磁性技术相比,它具有超高精度、低功耗、高带宽、高灵敏度、温度稳定性、低噪声和更小尺寸。lqQednc

磁传感器的分辨率是多少?

传感器分辨率是指传感器可以解析的磁场特性(例如场强、角度方向或等效电流)的最小值。lqQednc

传感器分辨率是通过评估传感器在其工作条件下的信噪比 (SNR) 来确定的。请勿与这设备的模数转换器 (ADC) 分辨率混淆。lqQednc

TMR 的固有灵敏度很高,比其他 xMR 技术高几个数量级。因此,要想发挥 SNR 的竞争优势,就需要将重点放在降低传感器噪声上。Allegro MicroSystems 经过多年的研发,已经实现了市面上噪声超低的 TMR 传感器设计。所有基于 XtremeSense™ TMR 的传感器都采用了这种低噪声技术,并获得了业界卓越的分辨率,例如:lqQednc

  • CT110 电流传感器在 30kHz 带宽下的分辨率为 5mA
  • CT430 电流传感器在 1MHz 带宽下的分辨率为 10mA
  • CT310 角度传感器的分辨率为 0.005°C

下图显示了典型的开环霍尔效应传感器(左侧,红色)和闭环磁通门电流传感器(右侧,红色)以及基于 XtremeSense™ TMR 的lqQednc

CT4xx 电流传感器(蓝色)。lqQednc

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图 1:电流传感器回路比较lqQednc

输出的线性度如何?

与所有磁传感器一样,TMR 传感器对外部磁场的响应曲线本质上不是线性的,通常需要偏置技术来定义和优化线性操作范围。lqQednc

在较大的磁场范围内,这会导致典型的线性误差,如下图所示。lqQednc

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图 2:典型 TMR 技术非线性曲线lqQednc

在所有情况下,磁场振幅越大,TMR 越接近饱和,因此传感器响应的线性度越低。即使传感器响应远未达到饱和,偏离响应曲线中心的线性性能也会严重下降。接下来的挑战就是在不影响其他参数的情况下扩展传感器的线性范围。根据设计,在众多应用中,XtremeSense™ TMR 可提供低于 0.1% 的线性误差(见下图),这么高的性能只有昂贵且耗电的闭环偏置设计才能匹敌。lqQednc

下图显示了霍尔传感器(左)、AMR(中)和 XtremeSense™ TMR(右)随温度变化的典型线性误差。lqQednc

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图 3:三种解决方案随温度变化的典型线性误差lqQednc

是否存在磁滞现象?

磁滞现象通常称为记忆效应,存在于所有铁磁材料中,而这些材料是 xMR 传感器的核心。因此,必须控制和消除线性或角度传感器响应中的这种现象,以确保传感器输出的可重复性和稳定性。下图显示了典型的磁滞响应曲线,它会产生不必要的偏移和灵敏度变化,从而降低 xMR 产品的准确性,减少潜在应用XtremeSense™ TMR 传感器在设计上消除了这种类型的响应。下图说明了 XtremeSense™ TMR 线性传感器的磁滞微乎其微,其值非常低,在产品设计中可以忽略不计。lqQednc

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图 4:典型 TMR 解决方案与 XtremeSense™ TMR 的磁滞比较lqQednc

如下图所示,磁滞效应也出现在其他品牌的传感器技术(例如霍尔效应)中,该技术使用通量引导结构沿各个几何轴生成传感器响应。XtremeSense™ TMR 传感器不使用铁磁通量引导结构来实现多轴灵敏度,因此消除了这种潜在误差源。lqQednc

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图 5:不同技术之间的磁滞比较。lqQednc

左侧是霍尔效应,右侧是 XtremeSense™ TMR。lqQednc

传感器将如何响应横轴磁场?

理想的线性磁传感器应响应沿其敏感轴的磁场,但不应受到正交场(也称为横轴磁场)的影响。XtremeSense™ TMR传感器在设计上对横轴磁场的影响非常小,如下图所示。lqQednc

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图 6:XtremeSense™ TMR 传感器与横轴磁场的相互作用图lqQednc

如果传感器意外受到非常强的磁场影响,会发生什么情况?lqQednc

与市场上的大多数 xMR 传感器不同,XtremeSense™ TMR 传感器设计坚固,使其能够在工作温度下承受任何意外磁场,而不会对传感器造成永久性损坏。新型材料、优化的传感器制造和工艺改进都有助于实现这一目标。lqQednc

例如,对于基于 XtremeSense™ TMR 技术的线性传感器,所有主要传感器特性均被保留,并在强磁场消除后恢复正常工作性能。根据具体条件,输出电压可能会有少量偏移。这种偏移随后保持稳定,只需根据需要重新校准偏移,即可消除对总体精度的任何性能影响。lqQednc

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图 7:XtremeSense™ TMR 传感器意外接触磁场时,会出现轻微偏移(右)lqQednc

偏移和灵敏度随温度变化的幅度有多大?

XtremeSense™ TMR 传感器可在恶劣环境下运行,包括 150°C高温。专有材料的开发以及坚固耐用的特定传感器几何结构的使用,减少了灵敏度和增益随温度的变化。lqQednc

XtremeSense™ TMR 出色的温度性能使其能与具有主动温度补偿功能的霍尔效应传感器相媲美。lqQednc

相应地,如果与主动温度补偿电路相结合,基于 XtremeSense™ TMR 的传感器可以实现低于 40ppm/°C 的输出增益变化,远超基于开环霍尔效应的类似传感器,并与更高端的闭环电流传感器不差上下。lqQednc

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图 8:霍尔效应传感器和基于 AMR 的电流传感器在不同温度下的偏移和增益漂移lqQednc

下图显示了基于霍尔效应的电流传感器(左)和基于 AMR 的电流传感器(右)随温度变化的偏移和增益漂移。lqQednc

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图 9:霍尔效应传感器和基于 AMR 的电流传感器随温度变化的偏移和增益漂移lqQednc

这些传感器是如何制造的?

从硅晶圆前端到磁传感器工艺,再到后端集成,制造工艺与基本 TMR 材料开发一样关键且难以掌握。其他品牌可能只专注于 TMRlqQednc

材料的开发以实现高灵敏度,而 XtremeSense™ TMR 的开发则始终专注于将该技术直接集成到标准 CMOS 工艺中,以确保高性能、低成本和高可靠性,从而实现大规模市场应用。所有 xMR 技术都使用了镍、铁和锰等铁磁元素,而这些元素在 Si CMOS制造中并非标准元素,因此需要仔细考虑 TMR 工艺对 CMOS 电路其他部分可能产生的影响。lqQednc

XtremeSense™ TMR 是一种 CMOS 兼容技术,可以集成在金属层之间,既不占用基板上宝贵的芯片面积,也不需要相应的隔离区域。为确保质量,Allegro MicroSystems 采用直径 200 毫米的硅晶圆和先进的芯片制造工艺。lqQednc

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图 10:XtremeSense™ TMR 构造示意图lqQednc

下图展示了多芯片封装的复杂性与 XtremeSense™ TMR 技术实现的单片解决方案的简单性。lqQednc

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图 11:多芯片封装与单片封装设计lqQednc

结论

Allegro MicroSystems 的 XtremeSense™ TMR 传感器展示了 TMR 传感器的优势,重新审视和简化了高精度、高电流应用领域lqQednc

的解决方案,为设计人员提供明显的好处,使他们的设计可以避免以往的妥协。lqQednc

Allegro 的 TMR 传感器在设计、磁开发、工艺集成、测试等方面的进步达到了预期结果。TMR 技术在半导体领域的发展势头日益强劲。Allegro 将继续引领行业发展,满足合作伙伴当前和新出现的需求。lqQednc

XtremeSense™ TMR 使 Allegro 的传感器凭借卓越的性能、内置的稳健性和简单的集成芯片设计,成为广受市场青睐的颠覆性解决方案。lqQednc

Allegro 基于其获得专利的 XtremeSense™ TMR 技术,为汽车、工业和消费电子应用提供了多种磁传感器选择。XtremeSense™ TMR 技术是 Allegro 磁传感器系列的核心,该系列包括集成磁性开关以及角度、位置和电流传感器。lqQednc

责编:Demi
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