CN202216701U - 巨磁阻效应节气门角度位置传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器，永磁体采用多对极的环形磁铁，固定安装在节气门体的转轴上，GMR角度传感器固定在邻近转轴的传感器中的PCB上。本实用新型通过磁场变化引起磁阻的阻值变化，进而引起电压变化来检测角度，可测量360的大角度范围，且对应的测量磁场范围宽，可把一维和二维传感器结合在一起可进行三维测量，结构可靠，集成度高，可以减少温度漂移、非线性及在高磁场环境中对输出信号造成的影响，可消除磁场失真的影响，线形度好，精度高，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化等优点，并可应用于其它领域内的角度测量，应用范围广泛，有很大的经济效应。

Description

巨磁阻效应节气门角度位置传感器

技术领域

本实用新型涉及一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器。 

背景技术

利用霍尔效应的霍尔类旋转位置传感器通常包括霍尔IC与信号调理，保护电路，永磁体和软磁器件，通过外界执行器的旋转改变霍尔效应检测处的磁场强度，线性反映旋转角度变化。 

1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive，GMR)。 

利用磁阻效应，当施加磁通B时，半导体的载流子迁移率(如InAs约为104厘米2/伏秒)比金属(如Cu约为34.8厘米2/伏秒)大得多，所以半导体的磁阻效应很大。 

在凝聚态铁镍合金材料中存在这样一种现象：物质的电阻率在磁场中会产生轻微变化。这种现象叫磁阻效应(AMR)。AMR效应测量磁场比霍尔效应测量磁场有噪音小、线性度好、温度影响小等特点。在某些条件下物质电阻率会随磁场产生较大变化称作超巨磁阻效应(GMR)，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。巨磁阻是一种量子力学效 应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。GMR可以比AMR大一个数量级的灵敏度。近年来实验室里还发现了超巨磁阻效应(CMR)。 

把铁镍合金凝聚在硅片上，并继承一个平面铝线圈，做成地磁传感器，采用的就是巨磁阻效应。工作原理如图1所示： 

1.E是稳定(激励)电源。 

2.在没有外磁场时，R1-R4组成的巨磁阻电桥平衡，ΔU≌0，A1和A2输出都是0。 

3.有外磁场作用，电桥不平衡，产生ΔU输出，这个信号经A1放大，反馈到线圈L上，产生一个与外磁场作用相反的磁场，使电桥重新平衡，所以这时A1输出与外磁场成正比。 

4.把A1输出经跟随器A2输出即是磁场的测量电信号Uo。 

磁场引起了铁镍合金的电阻率变化，这种变化经放大产生反馈信号到线圈上。因为是负反馈，线圈产生的磁场与外磁场反向，并作用到铁镍合金上，使其电阻率恢复到初值。外磁场大，反馈信号也大，另一路放大器记录了反馈信号即记录了外磁场大小，在应用范围内是线形的。而且反馈是通过电桥平衡检测到的，具有灵敏度高、自动完成、体积小、安装方便、抗震、长期稳定等特点。 

半导体磁传感器体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高、寿命长，在电子 学领域得到应用。 

角度位置传感器作为一种非常重要的传感器装置，在汽车以及其它机电控制领域中具有广泛的应用，其线性范围与线性度的改进一直是此领域技术人员所致力研究的课题。比较常见的一种旋转位置传感器是利用磁感应元件来检测磁场变化，进而转变为与角度位置相对应的电信号输出。为提高其输出相对于被测物体转动角度的线性度以及扩大线性范围，需要进行大量的研究。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其可以360度自由旋转，测量范围达到360度，同时有较高的测量精度。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器，永磁体采用多对极的环形磁铁，固定安装在节气门体的转轴上，GMR角度传感器固定在邻近转轴的传感器中的PCB上。 

本实用新型的有益效果在于，通过磁场变化引起磁阻的阻值变化，进而引起电压变化来检测角度，可测量360的大角度范围，且对应的测量磁场范围宽，可把一维和二维传感器结合在一起可进行三维测量，结构可靠，集成度高，可以减少温度漂移、非线性及在高磁场环境中对输出信号造成的影响，可消除磁场失真的影响，线性度好，精度高，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化等优点，并可应用于其它领域内的角度测量，应用范围广泛，有很大的经济效应。 

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明： 

图1是巨磁阻效应磁场传感器工作原理； 

图2是本实用新型实施例所述磁阻传感器的构造示意图； 

图3是本实用新型实施例所述4个磁阻传感器组成的惠斯通电桥示意图； 

图4是本实用新型中采用的GMR敏感源示意图； 

图5是本实用新型中GMR的输出示意图。 

图中附图标记说明： 

1、铝合金带，2、坡莫合金，3、外加磁场，4、电流方向。 

具体实施方式

本实用新型所述的一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器，永磁体采用多对极的环形磁铁，固定安装在节气门体的转轴上，GMR角度传感器固定在邻近转轴的传感器中的PCB上，不随转轴转动，能够获得较为理想的对应角度的线性输出，360度自由旋转，达到360度的大角度测量范围，同时有较高的测量精度。 

GMR角度传感器使用磁阻传感器，一般由四个磁阻组成惠斯通电桥，其供电电源为Vb。当电阻中有电流流过时，在电桥上便施加一个偏置磁场H，这将使得两具相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向4转动，从而引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动，从而引起电阻阻值减小。这样，便可在线性区域输出和外加磁场3成正比的信号。 

本实用新型中采用2个惠斯通电桥，共计八个磁阻，组成2个惠斯通电桥的磁阻分别对应不同的磁场方向，两个磁场方向呈90度夹角，对应有两路输出，分别为正弦输出和余弦输出，通过这两路输出，可在360度范围内判断角度信号。 

在本实用新型中，磁阻传感器是由长而薄的坡莫合金2(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图2所示。薄膜的电阻率ρ(θ)依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系式 

ρ(θ)＝ρ_⊥+(ρ_//-ρ_⊥)cos²θ                    (1) 

其中ρ_//、ρ_⊥分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制1电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 

磁阻传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，而非平衡电桥输出后接到一集成运算放大器上，将信号放大输出。传感器内部结构如图3所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压U_out可以用下式表示 

$U_{\mathrm{out}}=\left(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\right)\×U_b---\left(2\right)$

对于一定的工作电压，如U_b＝5.00V，磁阻传感器输出电压U_out与外界磁场的磁感应强度成正比关系， 

U_out＝U₀+KB                                       (3) 

(3)式中，K为传感器的灵敏度，B为待测磁感应强度。U₀为外加磁场为零时 传感器的输出量。 

由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为 

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}}{R}\frac{8}{5^{3/2}}---\left(4\right)$

(4)式中N为线圈匝数，I为线圈流过的电流强度，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，μ₀为真空磁导率。 

当电阻中有电流流过时，在电桥上便施加一个偏置磁场H，这将使得两具相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，从而引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动，从而引起电阻阻值减小。这样，便可在线性区域输出和外加磁场成正比的信号。本实用新型中，采用八个磁阻组成2个惠斯通电桥，如图4中磁阻传感器GMR的敏感源分布，其供电电源为Vb。 

在通以外界磁场后，磁阻传感器GMR的2个惠斯通电桥输出分别为正弦输出和余弦输出，如图5所示，通过这两路输出，可在360度范围内判断角度信号。 

本实用新型所述的巨磁阻效应节气门角度位置传感器，通过磁场变化引起磁阻的阻值变化，进而引起电压变化来检测角度，可测量360的大角度范围，且对应的测量磁场范围宽，可把一维和二维传感器结合在一起可进行三维测量，结构可靠，集成度高，可以减少温度漂移、非线性及在高磁场环境中对输出信号造成的影响，可消除磁场失真的影响，线性度好，精度高，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化等 优点，并可应用于其它领域内的角度测量，应用范围广泛，有很大的经济效应。 

本实用新型并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本实用新型涉及的技术方案。基于本实用新型启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本实用新型的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本实用新型的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本实用新型的多种实施方式以及多种替代方式来达到本实用新型的目的。 

Claims (5)

1.一种巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其特征在于，包括：

永磁体，其固定安装在节气门体的转轴上；

GMR角度传感器固定在邻近转轴的传感器中的PCB上。

2.如权利要求1所述的巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其特征在于：GMR角度传感器使用磁阻传感器。

3.如权利要求1所述的巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其特征在于：所述永磁体采用多对极的环形磁铁。

4.如权利要求1所述的巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其特征在于：磁阻传感器GMR组成惠斯通电桥。

5.如权利要求4所述的巨磁阻效应节气门角度位置传感器，其特征在于：八个磁阻传感器GMR组成2个测量不同磁场方向的惠斯通电桥；两个磁场方向呈90度夹角，对应有两路输出，分别为正弦输出和余弦输出。

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