【導讀】巨磁阻（GMR）技術為一系列汽車應用提供了關鍵優勢。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構中觀察到的量子力學現象（圖1）。由于鐵磁層中電子自旋的對齊，這些結構的電阻會隨著外部磁場的變化而變化。
巨磁阻（GMR）技術為一系列汽車應用提供了關鍵優勢。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）元件是納米技術的突破，是當今汽車系統設計的一項重要技術。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的準確性和可靠性，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、模型和優勢，并介紹一些用于汽車應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構中觀察到的量子力學現象（圖1）。由于鐵磁層中電子自旋的對齊，這些結構的電阻會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，它會影響電子散射并改變電阻。在平行排列中，散射減少，導致電阻降低，而反平行排列會增加散射和電阻。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確和可靠的傳感器元件。
汽車傳感技術的演變
傳統上，汽車依靠機械或不太敏感的電磁傳感器來實現車輛內的各種功能。這些舊系統雖然功能齊全，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，車輛大多使用機械系統或基本磁傳感器來確定速度和位置。這些系統不僅容易磨損，而且存在精度問題。
發動機正時：早期的發動機正時機構主要是機械式的，往往缺乏現代發動機所需的精度，導致燃油燃燒不充分，排放量較高。這些系統的機械特性也使它們更容易隨著時間的推移而退化，從而損害發動機的整體效率和可靠性。
安全系統：關鍵安全系統的初始版本，如防抱死制動系統（ABS），面臨著效率挑戰。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系統在緊急制動時不能有效地防止車輪抱死，可能會危及車輛安全。
飽和模型與線性模型
在飽和模型中，GMR傳感器在磁場強度足以使鐵磁層內的所有磁矩對齊的狀態下工作，導致電阻最大程度地降低。然而，在達到飽和狀態后，傳感器對磁場強度進一步增加的敏感度會顯著降低。
飽和模型的主要特征包括：
強磁場：強磁場是實現飽和所必需的。
二進制輸出：非常適合需要簡單開/關響應的應用。
穩定性：飽和時對磁場微小波動不那么敏感。
線性模型在較低磁場范圍內運行，磁矩的對齊是不完整的。這種部分對齊提供了磁場強度和電阻之間的關系，通常是線性的，盡管根據材料特性和傳感器設計可能會有偏差。
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。
比例響應：對磁場強度的變化提供連續的、準線性的響應。
動態范圍：適用于需要感應一系列磁場強度的應用。
飽和模型和線性模型之間的選擇取決于車輛內的具體應用。線性模型通常更復雜，用于需要詳細信息的系統。在汽車應用中，它們適用于精確測量部件位置，提供響應梯度，允許對發動機正時進行微調。
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部分以及空間受限的汽車應用中。
組件選擇的注意事項
飽和模型和線性模型之間的選擇取決于車輛內的具體應用。用于ABS等系統進行車輪速度檢測的線性模型通常更復雜，適合精確測量部件位置或方向。它們提供梯度響應，允許在發動機正時等應用中進行微調。
飽和模型非常適合二進制信息充足的應用，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，它們的設計更簡單，使其具有成本效益、魯棒性，并且更容易集成到車輛的各個部分，包括空間受限的應用。
汽車應用中的益處
檢測磁場微小變化的能力使得基于GMR技術的高精度速度和位置傳感器得以發展。GMR傳感器能夠精確測量曲軸和凸輪軸的位置，這對發動機正時至關重要。這也有助于優化燃油噴射和點火正時，從而更有效地利用燃料并減少排放（圖2）。
各種汽車子系統可以利用GMR。
圖2:各種汽車子系統可以利用GMR。
將GMR傳感器集成到ABS和電子穩定控制（ESC）等安全系統中也可以提高其有效性。這些傳感器可以更快、更準確地檢測車輪速度和滑移，從而提供響應更快、更可靠的安全系統。
隨著全球汽車行業向電動汽車（EV）轉變以最大限度地減少排放，GMR技術將在電池管理系統中發揮潛在作用。精確感知電流和電壓對于優化電池性能和壽命至關重要。
同樣，GMR傳感器因其高靈敏度和準確性將成為自動駕駛汽車發展的組成部分，這對自動駕駛汽車的復雜傳感要求至關重要。
汽車應用傳感器解決方案
就其本身而言，阿爾卑斯山提供基于GMR技術的各種適用于汽車應用的傳感器。其基于GMR的傳感器包括角度傳感器、編碼器和開關，提供了一系列增強性能和安全性的功能。
主要優勢包括：
高穩定性：確保關鍵汽車系統性能穩定。
低噪音：最大限度地減少電磁干擾，確保讀數高度準確可靠。
低功耗：適用于以能效為優先的汽車應用。
高靈敏度：能夠檢測微小的角度變化，以進行精確控制。
高耐用性：經久耐用，能夠抵御惡劣的汽車環境。
寬工作溫度范圍：適用于汽車環境中各種典型氣候條件。
現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用（圖3）。該產品具有兩個方向和兩個全橋的多功能性，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）確保了汽車設置中典型高溫環境的可靠性。主要應用包括轉向角、換檔和電機控制系統，如EPS。
HGARPS011A采用TSSOP-8封裝，是一款非常適合空間受限的汽車應用的角傳感器。
圖3.HGARPS011A采用TSSOP-8封裝，是一款非常適合空間受限的汽車應用的角傳感器。
HGARAN系列采用雙相輸出和兩個全橋，可提供詳細的角檢測。其小型DFN1810封裝可無縫集成到緊湊型系統中。由于電流消耗低，橋電阻為5kΩ，設計人員可以利用HGARAN降低功耗。主要應用包括位置檢測和電機控制。
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，可實現高精度的旋轉和電機控制系統。該產品系列具有高輸出穩定性，可確保在不同操作條件下性能一致。主要應用包括電動車窗、滑門、尾門和天窗（圖4）。
與傳統的霍爾編碼器相比，HGPRDT007A GMR編碼器在一個封裝中提供了兩相輸出，相移為50%。
圖4.與傳統的霍爾編碼器相比，HGPRDT007A GMR編碼器在一個封裝中提供了兩相輸出，相移為50%。
HGDVST設計為小型SOT-23-5封裝的單極、單輸出型開關輸出傳感器。該產品具有高度的抗電磁干擾性，這是當今汽車電磁復雜環境的基本品質。
該設備適用于非接觸式汽車應用，如門鎖和尾門位置檢測。與機械開關相比，其非接觸特性可確保使用壽命更長，不易磨損。
更高效的車輛設計技術
GMR元件不僅在改變現有的汽車技術，而且為未來的創新鋪平了道路。GMR技術的精度、靈敏度和可靠性繼續推動著汽車性能、安全性和效率的提高。隨著技術的進步，GMR元件在汽車應用中的潛在應用將擴大，有助于開發更高效的汽車設計。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯系小編進行處理。
推薦閱讀：
聚焦智能座艙及車載顯示新技術，新產品︱盡在2024汽車工業技術博覽會
