Jste zde

Integrované AMR senzory magnetického pole

Antonín Vojáček, 12. Květen 2011 - 23:14

Mimo známějších magnetických snímačů využívajících Hallova jevu, existuje i další používaný princip, známý jako AMR. Ten realizuje magneticky závislé rezistory, které se vyznačují velmi vysokou citlivostí. Některé umožňují i přímo měřit magnetické pole Země...

Jako snímače magnetického pole jsou asi neznámější senzory využívající Hallova jevu. Ty reagují na kolmé magnetické pole, které převádí prostřednictvím Hallova jevu na slabé kladné či záporné elektrické napětí na svorkách snímacího prvku. Mimo těchto senzorů však existují i jiná provedení využívají další principy. Jedním z nich je změna elektrického odporu prostřednictvím tzv. AMR jevu, tedy Anisotropické Magnetické Resistence, který se využívá v tzv. AMR senzorech.

Princip AMR senzorů

Základem funkce AMR senzoru je tzv. AMR jev, tedy změna elektrického odporu velmi tenké vrstvy (filmu) slitiny železa a niklu (permalloy) při jeho vložení do podélného magnetického pole. Změna odporu nastává již při velmi malých hodnotách indukce mag. pole v řádu jednotek mikroT až mT a s rostoucí hodnotou pak obvykle odpor rychle a téměř lineárně klesá. Ale pouze o cca 2 - 3 % hodnoty původního odporu materiálu v klidovém stavu bez přítomnosti mag pole. Pak se již s rostoucí silou magnetického pole dále nemění. Konkrétní snímací rozsah AMR senzoru je pak dán konkrétním „nastavením“ snímacího elementu (tvar, rozměry, složení).

Typická závislost el. odporu na velikosti magnet. pole AMR senzoru na přiblížení magnetu.

Mimo samotné intenzity magnetického pole má významný vliv i směr pole vzhledem k orientaci snímacího elementu. Tento jev byl v zásadě objeven panem Thomsonem  již v roce 1857.

Konkrétně v klidovém stavu jsou magnetické domény nasměrovány ve směru delší strany AMR elementu (viz vektor Ha na obrázku níže). Když na element působí magnetické pole ve směru kolmém (směr Hs), také domény elementu se natočí z klidové pozice Ha na „snímací“ pozici ve směru Hs.

Směr domén pak má vliv na velikost protékajícího elektrického proudu elementem, tedy na el. odpor. Velikost proudu je úměrná druhé mocnině sinu úhlu mezi vektorem proudu a aktuálním vektorem mag. pole. Tedy pokud je směr proudu shodný s vektorem mag. pole, el. odpor je maximální, pokud je vektor pole kolmý na směr proudu, je odpor minimální. Směr proudu vzhledem k AMR elementu pak je definován pozicí kontaktních elektrod.

V praxi se proto někdy na snímací element implantují kontaktní plošky v podobě diagonálních metalických proužků, čímž je v klidovém stavu směr proudu v permalloy slitině vychýlen o 45° proti klidovému stavů mag. domén.

  

Závislost odporu na intenzitě mag. pole permalloy proužku šíře 50 mikrometrů

El. odpor, resp. el. proud AMR elementem, se mění nejen v závislosti na intenzitě mag. pole, ale i v závislosti na směru pole vzhledem ke směru protékaného proudu (viz vektory Hs, Ha a Hz).

Pokud by magnetické pole bylo točivého charakteru, odpor se periodicky mění v průběhu sinusovky.

Na rozdíl od Hallova jevu, velmi citlivý AMR efekt nereaguje na kolmé magnetické siločáry, ale naopak na podélné horizontální a nerozlišuje jejich směr . Tedy nerozlišuje severní a jižní magnetický pól a jeho funkce tedy není závislá směru magnetického pole.

Porovnání detekce magnetického pole AMR senzorem a Hallovým senzorem.

Provedení AMR senzorů

Reálné provedení AMR senzoru však není jen samotný magneticky citlivý materiál permalloy, ale obvykle se využívá klasického zapojení 4 snímacích odporových elementů do Wheatstonova můstku a jeho implementace i s vývody do jedné křemíkové součástky. Mimo jednomůstkového provedení však existují i dvou a třímůstková provedení v jedné součástce například pro realizaci víceosé detekce (například AMR senzory Honeywell).

Typické provedení integrovaného AMR senzoru se zapojením snímacích elementů do Wheatstonova můstku (vlevo - schéma, vpravo - reálné integrované provedení).

Pouhá implementace můstku v součástce je sice běžnější provedení AMR senzorů, ale stále častěji se lze setkat i se sendvičovou strukturou (viz obrázek vlevo), kde je v součástce implementován nejen AMR element či můstek elementů i s napájecími kovovými (obvykle hliníkovými) elektrodami, ale i s nimi společně křemíkový čip realizující různé předzpracování nebo vhodnou úroveň elektrického napájení, ale hlavně i zesílení malé změny el. odporu, jeho vyhodnocení a jeho transformaci na snadno dále zpracovatelný výstupní signál, obvykle na spínaný výstup. Takový senzor je pak přímo použitelný jako detektor přiblížení či bezkontaktní magnetický spínač bez nutnosti další externí elektroniky.

V tomto směru lze například jmenovat AMR senzory společnosti Murata s již spínaným výstupem, jejichž integrované senzory mají laserem přesně nastavené reakční (spínací) hranice snímací vrstvy.

Například jednoduchý senzor Murata typ AS-M15TA-R v miniaturním pouzdru SOT-23 (1.0 x 0.9 x 0.5 mm) umožňuje při napájení 1,8 V DC reagovat svým spínaným výstupem na přítomnost magnetického pole 1,5 mT (nabízí se i provedení s hranicí 0,5 a 3,0 mT). Na následujícím obrázku je jeho reakce na přítomnost a vzdálenost neodymiového magnetu rozměru 2,5 x 3,5 x 1 mm:

Graf reakce spínaného výstupu v závislosti na přiblížení neodymiového magnetu k senzoru AS-M15TA-R.

 

Na první pohled podobný avšak uvnitř jinak řešený AMR senzor pak například najdeme i v nabídce společnosti Sensitec pod označením AFF755. Ten využívá vnitřního zapojení AMR elementů do klasického Wheatstonova můstku s cívkou (flip coil) pro korekci offsetu a omezení vlivu teploty. Výstup zde není ještě předzpracovaný, ale prostě jde jen o klasické napojení můstků na externě realizovaný budicí a zesilovací obvod.

Dle údajů výrobce jde o nízkošumový magnetický senzor pro detekci velmi slabých magnetických polí s indukcí od 2 nT (tedy od 20 mikroGauss) a intenzitou +/- 400 A/m, tedy i pro snímání velmi slabého magnetického pole země.

 

Vnitřní uspořádání AMR můstků a převodní charakteristika senzoru Sensitec pod označením AFF755.

 

Podobně je tomu i například u dost známé řady 1-,2- a 3-osých můstkových integrovaných AMR senzorů Honeywell HMC105X s velkým měřícím rozsahem mag. pole od 120 mikroGauss do 1 až 6 Gauss, s citlivostí 1 mV/V/gauss a napájením 1,8 až 20 V. Konkrétně koncové číslo 1, 2 nebo 3 v názvu senzoru určuje počet implementovaných můstků, jejichž vývody jsou také přímo připojeny na vývody integrované součástky bez jakéhokoliv předzpracování či zesílení.

Ukázka provedení AMR senzorů Honeywell HMC105X a konkrétní schéma vnitřního zapojení 3D senzoru HMC1053.

 

Naopak můstkový AMR senzor iC-Haus typ iC-SM5L ve formě snímací hlavy s rozměry 5,1 x 1,2 mm pro snímání magnetických pásek umožňuje napájení stejnosměrným či střídavým napětím až +/- 10 V. Odpor můstku je cca 1,5 kOhmů a převodní konstanta senzoru 8 až 20 mV/V. I zde výstup není nijak předzpracovaný, ale prostě jde jen o klasické napojení můstků na externě realizovaný budicí a zesilovací obvod.

Schéma zapojení AMR senzoru iC-Haus iC-SM5L.

Použití AMR senzorů

AMR senzor není náhradou ani konkurentem Hallova senzoru, protože jeho reakce na magnetické pole je odlišná. Je tedy jeho alternativou pro určité aplikace. Díky své velmi vysoké citlivosti se využívají i pro měření magnetického pole země či v rámci konstrukce různých detektorů a vyhledávačů aktivních vodičů. Dále díky své přirozené „prudké reakci“ na přítomnost mag. pole se hodí pro konstrukci snímacích hlav magnetických čidel pohybu či pro integrované magnetické spínače pro různé aplikace.

Prakticky se obvykle využívá jako snímač magnetické pásky či kotouče v senzorech lineárního či rotačního pohybu nebo také často jako spínač / detektor vertikálního i horizontálního pohybu dvou částí, kde v jedné části je umístěn malý magnet a v druhé zabudován AMR senzor.

Příklad některých aplikací AMR senzorů.

Praktické příklad použití integrovaných AMR senzorů

Příklad zapojení integrovaného AMR senzoru Murata AS-M15TA-R:


Příklad zapojení můstkového 3D ARM senzoru Honeywell HMC1052L:

Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

Anonymous (neověřeno) - 17. Květen 2011 - 10:21

Dobry den,

v clanku je zmineno cidlo Murata AS-M15TA-R, avsak nedari se mi najit kde ho sehnat. Nepodarilo se nekomu? Ci pripadne napad na jine (nizka cena, nizka spotreba, male smd).

Diky