高精度＋内置冗余，组合磁传感或成为汽车位置传感新风向

电子发烧友网报道（文/李宁远）传感器在日常生活、工业制造和航空航天等各个领域都扮演着重要的角色，温度传感、压力传感、位置传感等等传感器构建起了我们现在的感知网络。在任何需要感知位置变化的场景应用里，位置传感器和编码器可以说是无处不在，不论是工业自动化设备的实时控制还是汽车的实时定位，现代自动化设备都需要依靠高精度的位置传感持续为系统提供准确且实时的位置信息。
 
位置传感核心技术
 
磁性位置传感这一大类别里，有基于霍尔效应的磁传感器，有基于各向异性磁阻效应的AMR传感器，有基于巨磁阻效应的GMR传感器，还有基于隧道磁阻效应的TMR传感，这些是目前位置传感应用里的核心传感技术。
 
从应用覆盖率上来看，基于霍尔效应的位置传感在各类应用里应该都是最多的那一类选择，霍尔元件对磁场敏感，结构也相对简单，同时体积也小，因此，在测量、自动化等各领域都有着广泛的应用。3D霍尔效应位置传感器能否实现磁轴和温度的任意组合是现在高端位置传感应用里比较看重的一项功能，也就是在更宽的磁场检测范围、更宽的环境温度范围中保持优异的传感性能。
 
基于各向异性磁阻效应的AMR磁传感在运控应用，尤其是车规级运控应用上有很多应用，其技术原理是利用材料中S轨道与d轨道电子散射各向异性，技术难度稍高于霍尔。基于AMR的磁传感很多半导体厂商都有在做，毕竟它在车规级运控上有着不可忽视的重要作用。
 
巨磁阻效应GMR传感器从名字就能看出，所用的磁材料在磁场中电阻率变化的幅度会非常大。GMR传感一般也采用桥式构造，功耗、响应时间、温漂等传感指标和AMR传感较为相近，但是磁电阻比会比AMR大很多，磁电阻比ΔR/Rmin一般在15%左右（AMR为3%）。更高的技术门槛也意味着这一技术路线的产品比上两种磁传感更少见，在车规级应用上同样非常重要。
 
TMR，技术难度最高的磁传感路线，不论是其结构复杂度、成本还是工艺难度都很高，与之相匹配的是极高的灵敏度和极大的磁阻效应，磁电阻比ΔR/Rmin在50%以上。相对于AMR和GMR来说，TMR灵敏度的领先是数量级的，而且温漂更加稳定。近年来随着材料与元器件以及电路技术的发展，这种高技术门槛高成本的技术应用也开始多了起来。
 
磁传感技术组合——VHT＋TMR
 
以往在位置传感上，单个传感器更常见的还是走单一技术路线，不过现在在单一传感器上进行技术集成的风向也开始流行起来。今年Allegro就在单个封装中实现了VHT（垂直霍尔技术）+TMR（隧道磁阻）两种技术的组合。
 
这一技术组合瞄准的是汽车ADAS应用，为ADAS应用提供高精度和异构信号冗余。随着汽车自动化快速发展，未来肯定需要更精确且足够灵敏的位置传感器，因此Allegro在垂直霍尔技术之外选择了TMR技术。据Allegro公布的消息，Allegro创新的硅片隧道磁阻TMR-on-silicon技术与传统单一霍尔效应传感器相比，可提供更高的分辨率和准确度，灵敏度直接提高了八倍。在该技术融合中，TMR作为初级传感，垂直霍尔作为次级传感，在TMR完成高精度的感测后，垂直霍尔进行低磁场和磁体缺失检测，大大提高异构信号冗余度。
 

VHT＋TMR，Allegro

 
在单一封装内将多种传感技术进行组合的方式也有利于减少系统尺寸，整体成本上也会有所下探。技术组合位置传感比单一技术传感还是更具优势的。
 
磁传感技术组合——xMR组合
 
这种磁传感技术组合不得不提的是英飞凌的xMR技术组合，英飞凌是少数同时掌握AMR、GMR以及TMR的厂商。目前英飞凌基于TMR技术的磁传感还没有与其他技术进行组合，只提供单一技术产品，但是AMR和GMR有不少技术组合产品。
 

 
AMR＋GMR，英飞凌

 
英飞凌的磁性角度传感器系列采用GMR和AMR双组合传感器技术，在同一封装中将GMR置于顶部，AMR置于底部，解决需要内置冗余的应用需求。这些组合技术的位置传感器以GMR为初级传感，以AMR为次级传感技术，完成360°的非接触式角度测量。
 
GMR与AMR的组合，将高精度和 360° 测量范围与短传播延迟相结合，使其适用于具有高速和高精度要求的汽车EPS系统和电机系统。
 
小结
 
目前市面上采用多种磁传感技术组合而成的传感器还不多，从目前已经发布的几款组合磁传感来看，均是针对需要具有精确电机控制功能的先进电动助力转向系统以及能够快速响应的线控制动或机电制动系统，在提供高精确度之余提供足够的冗余。汽车的位置传感需要能够提供最高准确性和安全性的位置传感器，组合磁传感这一趋势或许会席卷整个行业。
 
虽然现在这些组合式的磁传感器还不太多，但是可以预见未来磁传感市场会出现越来越多的组合式产品。很多半导体厂商也在加紧补足自己的磁传感实力，比如NXP就获得了TMR龙头厂商Crocus的技术授权，未来也许会推出基于TMR的组合磁传感；TDK收购了Micronas的霍尔技术，结合自家领先的TMR与霍尔进行组合产品的开发也不是不可能。