基于巨磁电阻(GMR)的Allegro集成电路
基于巨磁电阻(GMR)的Allegro集成电路
By Bryan Cadugan，
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抽象的
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems是一个发展，制造和营销高性能的世界领导者集成电路(ic)，它包含高性能磁传感器。这款白皮书提供了对巨型磁阻（GMR）效应的基本理解，以及Allegro如何在市场领先的IC中使用这种技术，以满足当今的应用要求。
巨磁电阻(GMR)效应
GMR效应是由Unité体格混合CNRS/泰利斯的Albert Fert和Institut für Festkörperforschung Forschungszentrum Jülich GmbH的Peter Grünberg在1988年发现的。这两人都因这一发现在2007年获得了诺贝尔奖。巨磁电阻效应的基本原理是基于电子自旋。在磁电阻中，电子散射率的增加或减少作为电子的自旋状态和电子所移动的介质的磁性取向相互作用的函数。电子散射增加了电子流动的平均自由程，有效地改变了介质的电阻。总之，磁电阻是一种在磁场存在时改变其电阻值的电阻。
GMR换能器是由一系列由不同的磁性和非磁性材料制成的非常薄的层制成的。这些材料的顺序和厚度使薄膜堆叠(GMR堆叠)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“旋转阀”型结构的开发，这是Allegro在其最新IC中使用的。在旋转阀中，两个磁性层中的一个被认为是“参考”并且以其定向固定或固定，另一个称为“自由”层，并且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，该磁场由磁铁或电流产生，并且被亚博尊贵会员称为B.应用程序贯穿本文档的其余部分。“自旋阀”之所以这样命名，是因为它像一个水龙头，水的流量与水龙头的旋转程度有关。GMR自旋阀的开启位置与磁层对齐(如图1中a方向所示)时电阻最小有关。闭合位置(或低流动位置)发生在磁层反对齐时(如图1中方位B所示)，此时电阻最高。对于“参考”层和“自由”层之间的任何角差，GMR换能器的电阻与这个角的余弦成正比。
R =闵+（r.闵- R最大限度）×cos（θ）
电阻变化的百分比称为MR%，或磁阻百分比。Allegro的GMR传感器通常在整个现场响应范围的MR%在5%到8%的范围内。这种级别的响应产生的信号大约比Allegro的霍尔效应传感器高50倍，使使用GMR传感器而不是霍尔效应传感器的ic具有更高的信噪比水平。
《全球监测报告》的反应
GMR对应用字段(B应用程序)在电阻器的平面(因此模具表面或IC表面)正比于余弦角的应用磁
场地。然而，GMR的电阻值并不总是表示场的强度。基本GMR换能器更多的是磁角传感器（如图1所示）。但是，在
在许多情况下，GMR传感器期望在一个轴上对磁场产生线性响应。为了创建这种线性响应，各向异性从“参考”层创建90度
像另一个磁场一样用施加的场（这个各向异性诱导的场，B一个，由图2中的黄色箭头表示）。然后，响应在零磁场的状态下具有线性区域。这种线性化响应的方法用于许多Allegro的IC。重要的是要注意现场响应范围的饱和响应。当在线性应用时，将最大操作范围指定以考虑杂散磁场和待感测的磁刺激。可以引用GMR产品数据表以指示操作边界条件。一项注意事项是Allegro霍尔效应解决方案没有这种本土饱和的响应。Allegro的Hall ICS基于应用程序或电路条件具有饱和的响应，而不是大厅技术本身的结果。
在IC应用中使用GMR
通常，GMR电阻器被创建并放置在惠斯通桥配置中。惠斯通桥的一半（图3中的元素A和C）位于一个磁性条件下
惠斯顿电桥的另一半(元件B和D)处于另一种磁条件下。理想情况下，这些条件呈现一个相等但相反的响应，允许从电桥的最大输出信号。如图3中的蓝色箭头和文本所示，元素A和C检测一个指向左方向的字段(在本例中为反并行状态，表示为R最大限度在图1中)，元素B和D以向右的方向感知一个域(在本例中处于并行状态，表示为R闵在图1中）。结果是电阻器A和C将处于高电阻状态，并且B和D中的那些将处于低电阻状态。然后差分输出将是正的。
使用惠斯顿电桥，输出总是与应用的V成比例CC.，在没有施加磁场的情况下，微分输出的中心为0v。差动电桥输出将根据施加在惠斯顿电桥上的磁场方向正或负摆动。这种桥的配置既可以消除温度影响，也可以提高对杂散磁场的免疫力。
对于电流传感器，磁场在惠斯通电桥的元素A和C上朝一个方向引导，而在惠斯通电桥的元素b和D上朝相反的方向(参见
图4)。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，以及模拟或数字领域中可能更高级的信号处理电路。在导体不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微分
信号，允许响应各种磁刺激。
GMR的另一个应用是用于环形磁体速度传感应用，如ABS或传动传感器。亚博尊贵会员如图5所示，形成一个南北交替磁化的磁性材料环。GMR传感器可以放置在这种材料下，这样模具的平面是水平的。A和C GMR元件和B和D GMR元件之间的间隔产生了一个不同的磁场，根据环形磁铁在其旋转周期中的位置，这些元件组可以感知到这个磁场。当一个N(北)极集中死亡,剩下的磁场指向元素A和C和向右/元素B和d .这将创建一个响应在《全球监测报告》指出,在图3中,最大积极回应的GMR桥。当在一个S(南极)极点上时，响应最大为负。在两极之间，每个单元的磁场大致相等，电桥的响应接近于0。当环形磁铁旋转时，这导致传感器的正弦输出。通过计算输出阀值之间的时间，可以测量环形磁铁的速度。与传统霍尔传感器相比，GMR更高的灵敏度提供了更高的气隙传感能力，以及更高的输出重复性，以获得更高的速度输出精度。
Allegro有一个单片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：“传感器”芯片和“接口”芯片。Allegro是直接整合GMR技术的IC制造商中的一个非常少数的IC制造商之一
在他们的半导体晶圆上。
这种集成方法提供了许多优点，包括通过避免额外的模对模连接而提高了可靠性，并且在集成载流线或相对于外部参考定位元件时，允许更简单的总体设计。
晶片打包
由于Allegro的GMR解决方案本质上是单片，因此GMR IC晶片以与Hall效果传感器IC晶片相同的方式管理。将制造的晶片磨削到它们的包装的适当厚度，并且将晶片切割成适当的模具尺寸。在此步骤之后，该部分包装在Allegro的标准范围的半导体IC封装中。
选择大厅解决方案或GMR解决方案
巨磁电阻换能器比霍尔效应换能器有一些优点。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 示例堆叠） |
| 敏感方向 | 通过平面(1轴) | 在平面（2轴）， 通常是1个小学 |
| 响应 | 完美的一个轴线性 | 余弦型反应 在两个坐标轴中，这是更多的 复杂解释 |
| 敏感度（本机） | ~10-20 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 g |
结论
Allegro的新集成GMR技术为Designer的工具箱提供了一个额外的工具，以解决新的应用程序，并在现有应用程序中扩展其ICS的功能。亚博尊贵会员GMR提供了改善发出信号的能力，增加分辨率，或减少给定解决方案的所需现场等级（较小的磁铁，更大的空气间隙等）。此外，对晶片或IC表面的平面感测，可以通过平面敏感霍尔技术来创造新的更强大，差异磁解的能力，而不是可能的。Allegro将在所有相关磁传感器IC组合中释放产品，以利用GMR技术提供的新功能。