中國宋代科學家沈括在《夢溪筆談》中最早記載了地磁偏角“方家（術士）以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”。沈括是歷史上第一個從理論高度來研究磁偏現象的人。而導致磁偏現象的根本原因是，地球本身就是一個天然的巨大磁體，叫做地磁場。千百年來，人類對磁場的研究和利用誕生了大量的科技創新，從我們偉大中華祖先的四大發明之一——指南針。
到今天廣泛應用的霍爾效應（Hall Effect）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器和隧道磁阻（TMR）傳感器。在當今的位置檢測技術中，各向異性磁阻薄膜材料變得日益重要，基于AMR傳感器的應用已經非常廣泛。相比傳統技術，磁阻位置測量具有多種優勢。可靠性、精度和整體魯棒性是推動磁阻檢測技術快速發展的主要因素。本文將以ADI公司的AMR產品為例，分析各向異性磁阻傳感器的特性及應用。
AMR技術的幾種常見配置
AMR技術可以用來檢測線性位置和旋轉位置。有多種不同類型的磁體配置可與AMR角度傳感器配合使用，包括線性、離軸、軸尾等配置方式。
對于線性應用，磁體必須與傳感器位于同一平面，如圖1所示。磁體的紅邊和藍邊表示北極和南極的定向。該定向是可以互換的，因為AMR傳感器不區分北極和南極。為了從AMR傳感器獲得最佳線性響應，傳感器的中心和磁體的中心彼此相距距離必須等于磁體長度的一半。
圖1. 線性磁體配置。
旋轉測量的一種磁體配置是使用一個磁極環。圖2所示為理想的磁極環。彩色區域表示AMR傳感器感知到的外磁場定向。類似于線性測量，要獲得線性響應，磁極環必須與傳感器處于同一平面，并且二者間的距離為磁極長度的一半。在整個機械旋轉過程中，這類磁體配置下的傳感器響應將重復多次，重復次數與磁極數量相等。對于圖2中的磁極環，共有5個北極和5個南極，傳感器可以感知到10個磁極。對于圖中所示磁極環，每旋轉一次，AMR傳感器輸出就會重復10次，因此，可以提供36°的絕對信息。
圖2. 離軸磁體配置。
軸尾配置是另外一種常見的配置，在軸尾磁體配置中，一個已經徑向磁化的偶極磁體位于旋轉軸的尾部。傳感器位于旋轉軸和磁體的下方。在該機械設置中，徑向磁體的北極和南極
在磁體中心上方形成一個均強磁場。隨著磁體和軸旋轉，磁場也開始旋轉。傳感器如此放置是為了均強磁場始終與檢測元件處于同一平面。圖3所示為軸尾磁體配置。
圖3. 軸尾磁體配置
集成式AMR角度傳感器
軸尾磁體配置非常適合無刷直流電機定位和控制，集成式AMR角度傳感器ADA4571即是這樣一款器件。多數閉環無刷直流電機控制使用霍爾傳感器來提供轉子位置反饋，用以確定線圈換向的正確位置。這些傳感器的精度各不相同，但一般都在5°至10°之間。為了實現更平滑、更高效的電機響應，減少扭矩波動，需要更精確的電機角度信息。以ADA4571為例，ADI的AMR傳感器的機械精度典型值為±0.1°，最大值為±0.5°。
通過更加傳統的增量編碼器，也可使精度達到這一水平。然而，在啟動、卡止錯誤和環境影響時對于增量編碼器來說問題表現地更加突出。ADI AMR傳感器可提供啟動或卡止條件下的絕對位置信息，而不受電機位置影響。借助這個絕對位置信息，可以更好地控制扭矩，使電機啟動時更加平順，還能提高電機啟動效率和卡止時的性能。
作為一款各向異性磁阻傳感器，ADA4571具有獨特的高集成度，在一個封裝內集成兩個芯片，即一個AMR傳感器和一個固定增益（標稱值G = 40）儀表放大器和ADC驅動器。ADA4571產生兩路模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。因此，ADA4571可提供有關旋轉磁場角度的干凈且經過放大的余弦和正弦輸出信號，輸出電壓范圍與電源電壓成比例。
ADA4571這款新型傳感器經過汽車應用認證，可以直接測量電機位置，可有效降低噪聲、優化平滑度和扭矩性能，有助于無刷直流(BLDC)達到最加嚴格的環境、噪聲和能耗要求。可在廣泛的電機應用中實現直接、非接觸式和無磨損的角度測量，包括電動輔助轉向、制動、主動式懸架、穩定性控制等汽車系統。
ADI AMR傳感器采用惠斯登電橋配置，與單一阻性元件相比，它支持更寬的輸出電壓擺幅，還能抑制較大的直流失調。AMR測量解決方案，可用于角度或線性位置測量。圖4所示為基于ADA4571的磁阻角度和線性檢測系統，該方案在180°范圍內具有優于0.2°的角精度，在0.5英寸范圍內具有2mil線性精度，具體取決于所用磁體的尺寸。該電路適用于高速、高精度、非接觸式角度和長度測量關鍵型應用，比如機床速度控制、起重機角度控制、無刷直流電機和其他工業或汽車應用。
圖4. 基于ADA4571的磁阻角度和線性檢測系統。
AMR傳感器在汽車中的應用
在自動駕駛汽車快速發展的今天，汽車電氣化趨勢逐漸朝著半自動駕駛和全自動駕駛發展。其中，為了讓電子轉向助力(EPS)和電子制動系統滿足必要的安全標準，磁阻位置傳感器產品和基于分流器的電流檢測放大器產品可以在里面發揮積極作用，它們可使EPS和電子制動系統中使用的無刷電機實現高性能換相和安全運行。
在EPS或其他安全性關鍵電機控制應用中，可以將雙重AMR電機位置傳感器和ADI的電流檢測放大器集成到這樣的系統中，提供所需的性能等級和冗余，從系統級別實現ISO 26262 ASIL D合規性。
圖5. 適用于安全性至關重要的應用的電機位置和相電流檢測結構示例
ADA4571-2雙AMR傳感器專為需要冗余和獨立檢測通道的這類安全性至關重要的應用而設計。此雙通道AMR傳感器集成了信號調理放大器和ADC驅動器，包括兩個AMR (Sensitec AA745)傳感器和兩個放大器信號調理ASIC。該傳感器提供非常低的角度誤差信號，通常在0.1度范圍內，具備可忽略的遲滯、高帶寬、低延遲和良好的線性度。這些特性能夠幫助減少轉矩波動和可聽到的噪聲，幫助實現順暢、高效的BLDC電機控制。此外，AMR傳感器在飽和>30 mT條件下工作，沒有磁場窗口上限，而且傳感器在高磁場條件下運行，因此解決方案能夠經受嚴苛環境下的雜散磁場。
磁傳感器迎來應用增長期
據市場調研公司MarketsandMarkets預測，全球磁傳感器市場規模預計將從2015年的22.5億美元增長至2022年的41.6億美元，2016~2022年間的年復合增長率為8.87%，增長勢頭強勁。2017年全球磁傳感器市場，除傳統霍爾磁傳感器外，AMR磁傳感器占據了26.6%的市場份額。隨著工業自動化、自動駕駛汽車等領域的快速發展，以及集成化、高精度技術進步，AMR磁傳感器應用正迎來新的增長機遇。
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