Угловые датчики TMR (TDK)

В основе работы считывающих элементов головок жесткого диска лежит магниторезистивный эффект, который заключается в изменении сопротивления, вызванного воздействием внешнего магнитного поля. Начиная с 1980-х гг. основные характеристики HDD головок, в частности, плотность записи, постоянно совершенствовались. В ходе развития сначала появились AMR элементы (работающие на эффекте анизотропного магнитосопротивления), затем GMR (датчики гигантского магнитосопротивления) и датчики TMR (сенсоры туннельного магнитосопротивления). Основная структура отмеченных элементов рассмотрена на рисунке 1.

Магнитная основа TMR элемента практически такая же как и у сенсоров типа GMR. Отличие заключается в том, что в TMR элементе ток течет перпендикулярно поверхности пленки, а в GMR – горизонтально. TMR сенсоры относятся к тонкопленочным элементам со структурой, где барьерный слой, представляющий собой пленку из диэлектрика толщиной 1-2 нм, расположен как в "сэндвич модели" между двумя слоями из ферромагнитного материала (свободный слой/контактный слой), выполненными с использованием усовершенствованной тонкопленочной технологии. Вектор намагниченности контактного слоя фиксирован, а вектор намагниченности свободного слоя меняется в соответствии с направлением внешнего магнитного поля. Электрическое сопротивление TMR элемента варьируется вместе с изменением свободного слоя. Когда направления, в которых идет намагничивание контактного слоя и свободного слоя, становятся параллельны друг другу, сопротивление достигает наименьшей величины, что приводит к высоким значениям тока в барьерном слое. В противоположном случае, когда направления намагничивания слоев не совпадают, сопротивление становится чрезвычайно высоким и ток в барьерном слое практически не течет (рисунок 2):

TMR датчики угла серии TAS, выпускаемые компанией TDK

Компания TDK осуществляет выпуск нового типа сенсорных датчиков угла с элементом TMR. Принцип действия компонентов основан на технологии магнитной записи в HDD головке (где TMR сенсор используется в качестве высокочувствительного воспроизводящего элемента).

Датчики TMR находят применение: угол поворота рулевого колеса, открытие педали, открытие дроссельной заслонки, бесщеточные двигатели, двигатели для стеклоочистителей и др..

Характеристики угловых TMR сенсоров серии TAS

Код заказа PDF	Тип выхода	Диапазон рабочих температур	Конфигурация	Внешнее магнитное поле	Изображение	Погрешность определения угла (после компенсации)
TAS2141-AAAB PDF	дифференциальный 1.5 В (от пика до пика) U пит.=5В	-40...150°C; Топтим.=25°C	Полный мост	20...80 мТ		0,6 °
TAS2143-AAAA PDF	дифференциальный 3 В (от пика до пика) U пит.=5В
TAS4140-BAAB PDF	дифференциальный 1.5 В (от пика до пика)U пит.=5В
TAS4142-BAAB PDF	дифференциальный 3 В (от пика до пика) U пит.=5В

Выходное напряжение датчика TMR в 20 раз выше, чем у датчика AMR, и в 6 раз выше, чем у датчика GMR

Cкорость изменения сопротивления элемента выражается величиной, называемой отношением магнитосопротивления (MR). Для элементов типа AMR и GMR отношение MR составляет около 3% и 12% соответственно, тогда как для TMR сенсоров величина MR достигает 100%. Таким образом, выходное напряжение TMR датчика в 20 раз больше чем у AMR и в 6 раз больше чем у GMR и достигает 3000 мВ. На рисунке 3 представлено сравнение характеристик сенсоров с AMR, GMR, TMR элементами (приложенное напряжение соответствует 5 В). В качестве TMR датчика используется сенсор серии TAS2141-AAAB (дифференциальный выходной сигнал, 1,5 В от пика до пика).

TMR датчики являются оптимальным техническим решением для автомобильной электроники и промышленного оборудования

Выходное напряжение TMR сенсоров в 500 раз выше, чем у датчиков Холла. Благодаря низкому энергопотреблению (5мВт в заданных рабочих условиях) компоненты TMR становятся оптимальным решением для автомобильной отрасли. Так, например, они могут использоваться в качестве датчиков угла поворота автомобиля или электродвигателя (EPS) вместо обычных датчиков Холла.

Низкий температурный дрейф (варьирование выходного напряжения, вызванного изменением температуры окружающей среды) является основным требованием для таких сенсоров. На рисунках 4 и 5 представлены сравнительные зависимости "температура-отклонение угла" TMR датчика производства компании TDK и обычного компонента AMR. В стандартном датчике с AMR элементом отклонение угла становится чрезвычайно большим в области низких или высоких значений температуры. Напротив, в датчиках TMR TDK поддерживается неизменная точность угла в широком температурном диапазоне - погрешность угла составляет ± 0,6 °(или меньше) в диапазоне магнитного поля от 20 до 80 мТ и диапазоне температур от -40 до 150 °C (рисунок 4). Кроме того, высокая стойкость к износу - еще одно существенное преимущество датчиков TMR (TDK). Благодаря этой особенности они будут использоваться не только в автомобильной электронной технике, но и в промышленном оборудовании различного функционального назначения.

Угловые TMR датчики серии TAD

Компания TDK представила новую серию угловых TMR датчиков TAD2141 c цифровым устройством вывода данных. Новая линейка сенсоров характеризуется точностью ±0.2° и при комнатной температуре достигает наиболее высокого уровня точности (в промышленных отраслях по данным TDK на июнь 2017 г.) с угловым отклонением всего ±0.5°. Датчик способен осуществлять бесконтактное измерение в диапазоне от 0 до 360 ° в температурном диапазоне от -40°C до +150°C. Более того, в новом датчике TAD2141 представлен заметно усовершенствованный уровень миниатюризации, и учтена экономия в весе в сравнении с традиционными решениями, использующими преобразователи. Автоматическая функция коррекции, которая доступна только в изделии TAD2141, значительно уменьшает затраты на проектирование. Более того, в новом угловом датчике предусмотрена функция самодиагностики, которая обнаруживает неисправности не только в самом сенсоре, но и любые отклонения, происходящие вне датчика, в частности, сбой питания или потеря магнитного поля. Благодаря встроенной микросхеме ASIC в сенсоре реализованы цифровой вывод данных и совместимость с различными типами интерфейсов, таких как SPI, HSM, PWM и AZB. В них также используется технология проектирования ASIC (ICsense). Благодаря современным технологиям разработчики TDK могут представлять на рынке актуальные технические решения с использованием сенсоров. Образцы TAD2141 уже доступны для заказа.