基于巨磁电阻(GMR)的Allegro芯片
基于巨磁电阻(GMR)的Allegro芯片
布莱恩Cadugan,
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摘要
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems是全球高性能开发、制造和营销的领导者集成电路(ic)，集成了高性能磁性换能器。本白皮书提供了对巨磁电阻(GMR)效应的基本理解，以及Allegro如何在市场领先的集成电路中使用这一技术，以满足当今的应用需求。
巨磁电阻(GMR)效应
GMR效应是由Unité Mixte de体质、CNRS/Thales的Albert Fert和Institut für Festkörperforschung Forschungszentrum Jülich GmbH的Peter Grünberg于1988年发现的。他们两人都因这一发现在2007年获得了诺贝尔奖。GMR效应的基本原理是基于电子自旋的。在磁电阻中，电子散射率的增加或减少是电子自旋状态和电子所移动的介质的磁性方向相互作用的函数。电子散射增加了电子流动的平均自由路径，有效地改变了介质的电阻。总而言之，磁电阻是一种在磁场存在时改变其电阻值的电阻。
GMR换能器是由不同磁性和非磁性材料制成的一系列非常薄的层制造的。这些材料的顺序和厚度使薄膜堆栈(GMR堆栈)能够在磁场存在时改变其电阻。
随着时间的推移，GMR的进步导致了“自旋阀”型结构的发展，这是Allegro在其最新的ic中使用的。在自旋阀中，两个磁层中的一个被认为是“参考”，并固定在其方向上，另一个被称为“自由”层，可以自由地与周围环境中的磁场对齐(见图1)。在典型的磁传感器应用中，亚博尊贵会员这个磁场是由磁铁或电流产生的，我们称之为B应用程序整个本文件的其余部分。“旋转阀”如此命名，因为它类似于水龙头，水流与套管的旋转程度有关。GMR旋转阀的打开位置涉及当对准轨道层时（如图1中的方向A所示），其中电阻最低。当磁性层被抗对准时发生闭合位置（或低流量位置）（如图1中的方向B所示），其中电阻最高。对于“参考”和“自由”层之间的任何角度差，GMR换能器的电阻与该角度的余弦成比例。
r = R.最小值+ (R最小值- r.马克斯)×cos(θ)
抗性变化的百分比称为MR％，或磁阻百分比。Allegro的GMR传感器通常在全范围的现场响应范围内的5％至8％。这种响应级别创建了比Allegro的霍尔效应传感器高出50倍的信号，从而使用GMR传感器而不是Hall效应传感器在IC中实现更高的信噪比。
《全球监测报告》的反应
GMR对一个应用领域的固有响应(B应用程序)在电阻器的平面(因此模具表面或IC表面)正比于应用的磁性角度的余弦
字段。然而，GMR的电阻值并不总是表明磁场的强度。一个基本的GMR传感器更多的是一个磁角传感器(如图1所示)
在许多情况下，GMR传感器对一个轴上的场的线性响应是需要的。为了创建这个线性响应，一个各向异性被创建从“参考”层90度
作用类似于另一个磁场，将矢量与外加场(这个各向异性感应场，B一个，如图2中黄色箭头所示)。此时响应在零磁场状态周围有一个线性区域。这种线性化响应的方法在许多Allegro的集成电路中使用。重要的是要注意饱和响应出现在场响应范围的任何一个极端。在线性应用中，规定最大工作范围以考虑杂散磁场和所感知的磁刺激。可以参考GMR产品数据表来指示操作边界条件。值得注意的是，Allegro hall效应解决方案没有这种天然的饱和反应。Allegro的霍尔集成电路具有基于应用或电路条件的饱和响应，而不是霍尔技术本身的结果。
在IC应用中使用GMR
通常，GMR电阻被创建并放置在惠斯通电桥配置中。惠斯通电桥的一半(图3中的A和C元件)在一种磁性条件下定位
惠斯通电桥的另一半(B和D元件)置于另一种磁性条件下。理想情况下，这些条件呈现一个相等但相反的响应，允许从桥输出最大的信号。如图3中的蓝色箭头和文本所示，元素A和C感知向左方向的字段(在本例中为反平行状态，表示为R)马克斯在图1）中，元件B和D感测在右侧的方向上的场（在该示例中的并行状态下，表示为r最小值结果是A、C电阻处于高电阻状态，B、D电阻处于低电阻状态。微分输出将是正的。
使用惠斯通电桥，输出总是与应用的V成比例CC，在不施加磁场的情况下，将差分输出集中在0v。然后差分电桥输出将根据惠斯通电桥上的应用磁场的方向正或负摆动。这种桥接结构既可以消除温度效应，也可以对杂散磁场有一定的免疫力。
对于电流传感器，场在一个方向上以惠斯通桥的元件A和C转向，以及在相反方向上的惠斯通桥的emporsB和D的场上（参见
惠斯通电桥的输出被送入差分放大器，然后通过Allegro的正常灵敏度和偏移校正电路，以及在模拟或数字领域可能更高级的信号处理电路。在导体未集成的其他亚博尊贵会员应用中，GMR元件的物理空间分离被用来影响差分
信号，允许对各种磁刺激作出反应。
GMR的另一个申请用于环形磁体速度感测应用，例如ABS或变速器传感器。亚博尊贵会员使用交替的北极和南磁化产生磁性材料环，如图5所示。可以将GMR传感器放置在该材料下方，使得管芯的平面是水平的。A和C GMR元件和B和D GMR元件之间的间隔基于环磁体处于其旋转循环的位置，产生由这些元件的这些元件感测的不同磁场。当N（北）杆以芯片置于模具时，磁场指向左侧元件A和C以及右边的元素B和D.这将在GMR上创建响应，如图3所示，最大响应于GMR桥。当过度S（南）杆时，响应将最大负。当在极之间时，该字段大约相等，每个元件均相等，并且桥的响应接近0.这导致来自传感器的正弦输出，因为环磁体旋转。通过在输出中的阈值之间计数阈值之间的时间，可以测量环形磁铁的速度。与传统的霍尔传感器相比，GMR的敏感性较高，提供了更高的气隙传感能力，以及输出中的更高的重复性，以便在速度输出中更高的精度。
Allegro拥有单片GMR解决方案
许多销售GMR解决方案的供应商使用多芯片方法:一个“传感器”芯片和一个“接口”芯片。Allegro是极少数直接集成GMR技术的集成电路制造商之一
在他们的半导体晶圆的顶部。
这种综合方法提供了许多优点，包括通过避免额外的管芯键合来改善可靠性，并且在整合电流承载线或定位元件与外部参考时，允许更简单的整体设计。
晶圆进入包裹
由于Allegro的GMR解决方案本质上是单片的，GMR IC片的管理方式与霍尔效应传感器IC片相同。制作的晶圆被磨成适合其封装的厚度，晶圆被切成合适的模具尺寸。在此步骤之后，该部件采用Allegro标准范围的半导体IC封装。
选择大厅解决方案或GMR解决方案
GMR传感器比霍尔效应传感器有一些优点。然而，了解这些传感器的期望应用是非常重要的，因为在许多情况下，霍尔解决方案是更好的解决方案。
| 因素 | 大厅 | GMR（基于 示例栈) |
| 敏感的方向 | 通平面(1轴) | 在平面(2轴)中， 通常1主 |
| 回复 | 完全单轴线性 | 余弦型反应 在两个坐标轴上 复杂的解释 |
| 灵敏度(本地) | μv / g | 0.5-2 mV / G (50 + X大厅) |
| 线性范围 | 不受限制的 | ±55 G |
| 响应范围 | 不受限制的 | ±100克 |
结论
Allegro新的集成GMR技术为设计人员的工具箱提供了一个额外的工具，以解决新的应用，并扩展其ic在现有应用中的功能。亚博尊贵会员GMR提供了提高信号噪声的能力，提高分辨率，或降低给定解决方案所需的磁场水平(更小的磁铁，更大的空气间隙，等等)。此外，与通过平面敏感霍尔技术相比，将平面内感应到晶圆或IC表面，可以创建新的、更可靠的差磁解决方案。Allegro将在所有相关的磁传感器IC产品组合中发布产品，以利用GMR技术提供的新功能。