第9章__转速传感器

1、思考思考汽车仪表及报警装置有几个？ 导入导入 驾车时只有准确地掌握行车速度，才能灵活驾车时只有准确地掌握行车速度，才能灵活地操控爱车。一般在行车中我们都通过车地操控爱车。一般在行车中我们都通过车速表来了解、掌握车辆的行驶速度。速表来了解、掌握车辆的行驶速度。车速里程表有两种：车速里程表有两种：一、机械式车速里程表一、机械式车速里程表二、电子式车速里程表二、电子式车速里程表机械式车速里程表机械式车速里程表下一页返回机械式车速里程表机械式车速里程表下一页返回电子式车速里程表电子式车速里程表下一页返回 转速传感器转速传感器9.1 电磁式转速传感器电磁式转速传感器9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式

2、转速传感器9.3 光电式转速光电式转速(曲轴角度曲轴角度)传感器传感器9.4 信号板外装式曲轴角度传感器信号板外装式曲轴角度传感器9.5 车速传感器车速传感器9.6 笛簧开关式车速传感器笛簧开关式车速传感器9.7 磁阻元件式车速传感器磁阻元件式车速传感器9.8光电式车速传感器光电式车速传感器9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9.10 GMR元件在转速传感器上的应用元件在转速传感器上的应用9.1 电磁式转速传感器电磁式转速传感器 这种传感器用于柴油机上，这种传感器用于柴油机上，目的是检测发动机的转速，目的是检测发动机的转速，传感器的结构如传感器的结构如图图9-1所示，所示，在永久磁铁

3、的周围绕有线圈，在永久磁铁的周围绕有线圈，即采用的是电磁式工作原理，即采用的是电磁式工作原理，当铁材齿轮在永磁铁附近旋当铁材齿轮在永磁铁附近旋转时，通过线圈的磁力线发转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生生变化，在线圈中就会产生感应电压。感应电压。下一页返回9.1 电磁式转速传感器电磁式转速传感器 柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正中就会产生交流电压。交流电压的

4、频率与发动机的转速成正比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、电路放大、整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。 图图9一一2所示的是转速表电路的方框图。所示的是转速表电路的方框图。上一页 返回9.1 电磁式转速传感器电磁式转速传感器 上一页 返回9.1 电磁式转速传感器电磁式转速传感器 上一页 返回9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式转速传感器 内装有脉冲信号式发动机转速传感器内装有脉冲信号式发动机转速传感器(曲轴角度传感器曲轴角度传感器)的分的分电器的结构如电器的结构如图图9一一3所示。分电

5、器内的信号转子、永磁铁及所示。分电器内的信号转子、永磁铁及信号线圈，组成了这种传感器的信号发生装置，它装在发动信号线圈，组成了这种传感器的信号发生装置，它装在发动机控制系统上，用以检测发动机的曲轴角度位置。信号发生机控制系统上，用以检测发动机的曲轴角度位置。信号发生装置的结构如装置的结构如图图9一一4所示。信号转子上带有凸起，当信号转所示。信号转子上带有凸起，当信号转子旋转时，信号转子与线圈铁芯之间的气隙是变化的。由此子旋转时，信号转子与线圈铁芯之间的气隙是变化的。由此通过信号线圈的磁通也发生变化，随着磁通的变化在信号线通过信号线圈的磁通也发生变化，随着磁通的变化在信号线圈的两端就会产生感应电

6、压。圈的两端就会产生感应电压。下一页返回9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式转速传感器 下一页返回9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式转速传感器 当发动机运转并带动信号转子旋转时，如当发动机运转并带动信号转子旋转时，如图图9-5信号转子的信号转子的齿部将从信号线圈处通过，这时信号线圈与信号转子齿部之齿部将从信号线圈处通过，这时信号线圈与信号转子齿部之间的气隙是变化的，所以通过信号线圈的磁通量将按照信号间的气隙是变化的，所以通过信号线圈的磁通量将按照信号转子的旋转角度，如转子的旋转角度，如图图9-6(a)所示那样变化。即所示那样变化。即(a)图图中中，处所示的状况恰好分别与处所示的状况恰好分

7、别与图图9-5(a) ,(b) ,(c)所示的所示的信号转子位置相对应。信号转子位置相对应。如如图图9-6(b)所示，在信号线圈的两所示，在信号线圈的两端就会产生感应电势。端就会产生感应电势。上一页 下一页返回9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式转速传感器9. 2. 1脉冲信号式转速传感器在日产车上脉冲信号式转速传感器在日产车上的应用的应用 日产车用脉冲信号式转速传感器的结构如日产车用脉冲信号式转速传感器的结构如图图9一一7所示，它是所示，它是用永磁发电机式信号发生器来代替普通的断电器并装于分电用永磁发电机式信号发生器来代替普通的断电器并装于分电器内。分电器以曲轴的器内。分电器以曲轴的1/2

8、车令速旋转，信号转子装在分电车令速旋转，信号转子装在分电器轴上，信号转子外周上设有凸起，其数量与发动机气缸数器轴上，信号转子外周上设有凸起，其数量与发动机气缸数相等。由图中也可以看出，安装在断电板上的定子由导磁板，相等。由图中也可以看出，安装在断电板上的定子由导磁板，磁铁与信号线圈构成，导磁板上也带有凸起，其数日与气缸磁铁与信号线圈构成，导磁板上也带有凸起，其数日与气缸数相同。数相同。 信号发生器工作时的情况如信号发生器工作时的情况如图图9一一8所示。导磁板与信号转子所示。导磁板与信号转子对应不同位置时，磁通与感应电动势的波形如对应不同位置时，磁通与感应电动势的波形如图图9一一9所示。所示。上

9、一页 下一页返回9.2 脉冲信号式转速传感器脉冲信号式转速传感器9. 2. 2脉冲信号式转速传感器在丰田车上脉冲信号式转速传感器在丰田车上的应用的应用 丰田车用分电器的外观如丰田车用分电器的外观如图图9一一10所示所示;气缸顺序号数与上止气缸顺序号数与上止点的位置是利用带一个凸起的信号转子点的位置是利用带一个凸起的信号转子No. 1和成对称位置和成对称位置的两个信号线圈的两个信号线圈G1,G2检测出的。检测出的。上一页返回9.3 光电式转速光电式转速(曲轴角度曲轴角度)传感器传感器 光电式曲轴角度传感器的结构如光电式曲轴角度传感器的结构如图图9一一11所示，通常它内装所示，通常它内装于分电器上

10、。在这种传感器上设有与分电器同轴旋转的转子于分电器上。在这种传感器上设有与分电器同轴旋转的转子板，转子板上开有用于检测各气缸活塞位置板，转子板上开有用于检测各气缸活塞位置(各气缸压缩上止各气缸压缩上止点前度数点前度数)的检测窗，如果是的检测窗，如果是4缸机就有缸机就有4个检测窗，如果是个检测窗，如果是6缸机就有缸机就有6个检测窗。个检测窗。 在转子板的外周上还设有检测曲轴角度的检测窗，即在转子板的外周上还设有检测曲轴角度的检测窗，即1信信号检测窗，共号检测窗，共360个。个。下一页返回9.3 光电式转速光电式转速(曲轴角度曲轴角度)传感器传感器9.3.1 1信号信号 因为发动机转因为发动机转1

11、圈，曲轴角度传感器转圈，曲轴角度传感器转1/2圈，所以发动机圈，所以发动机所转所转1圈就会产生圈就会产生180个个1信号。信号。1信号从约信号从约5V变到约变到约0.3V时为时为10，从约，从约0.3V变到变到5V时，还需要时，还需要1，从计数，从计数上看是上看是2.上一页 下一页返回9.3 光电式转速光电式转速(曲轴角度曲轴角度)传感器传感器9. 3. 2 120。或。或180。信号。信号 在发动机转在发动机转2圈时曲轴角度传感器转圈时曲轴角度传感器转1圈，若是圈，若是6缸机，在发缸机，在发动机转动机转2圈过程中将产生圈过程中将产生6次次120信号信号;若是若是4缸机，将产缸机，将产生生4次

12、次180信号。这些信号表示的是各气缸的活塞位置，信号。这些信号表示的是各气缸的活塞位置，它是决定在各气缸在压缩上止点前它是决定在各气缸在压缩上止点前70(对对120信号信号)或或90(对对180信号信号)的燃油喷射及点火时间的基本信号的燃油喷射及点火时间的基本信号.上一页 返回9.4 信号板外装式曲轴角度传感器信号板外装式曲轴角度传感器 在控制点火时间时，需要检测出活塞上止点位置信号在控制点火时间时，需要检测出活塞上止点位置信号(120信号信号)、发动机转速及角度信号、发动机转速及角度信号(1信号信号)，并把这，并把这些信号输入到点火组件中，完成这些任务的部件就是曲轴角些信号输入到点火组件中，

13、完成这些任务的部件就是曲轴角度传感器曲轴角度传感器的结构如度传感器曲轴角度传感器的结构如图图9一一12所示。所示。下一页返回9.4 信号板外装式曲轴角度传感器信号板外装式曲轴角度传感器9. 4. 1信号板信号板 信号板安装在曲轴皮带轮上。信号板的外周上设有信号板安装在曲轴皮带轮上。信号板的外周上设有90个齿和个齿和3个凸起，齿与齿的间隔为个凸起，齿与齿的间隔为4,凸起之间的间隔为凸起之间的间隔为120，如如图图9一一13所示当曲轴旋转时，齿与凸起切割了传感头所产所示当曲轴旋转时，齿与凸起切割了传感头所产生的磁力线，由此而形成了控制发动机转速及点火时间的生的磁力线，由此而形成了控制发动机转速及点

14、火时间的1信号与信号与120信号信号.上一页 下一页返回9.4 信号板外装式曲轴角度传感器信号板外装式曲轴角度传感器9. 4. 2曲轴角度传感器和信号板的工作状曲轴角度传感器和信号板的工作状况况 当发动机工作时，信号板的齿与凸起断、通传感头所产生的当发动机工作时，信号板的齿与凸起断、通传感头所产生的磁力线，把这一断、通过程中所产生的交流电变换成矩形波，磁力线，把这一断、通过程中所产生的交流电变换成矩形波，再加以放大后，就可以作为发动机转速和曲轴角度的基本信再加以放大后，就可以作为发动机转速和曲轴角度的基本信号输入到点火组件中，如号输入到点火组件中，如图图9一一14所示所示. (1)1信号。信号

15、。1信号是由信号板外周的齿切割传感器的两信号是由信号板外周的齿切割传感器的两个传感头所产生的磁力线而产生的。个传感头所产生的磁力线而产生的。 (2)120信号信号.上一页 下一页返回9.4 信号板外装式曲轴角度传感器信号板外装式曲轴角度传感器9. 4. 3曲轴角度曲轴角度 120信号用凸起，设置在上止点前信号用凸起，设置在上止点前70时，可以切割传感时，可以切割传感头磁力线的位置上。头磁力线的位置上。上一页返回9.5 车速传感器车速传感器 现代汽车上，都装有发动机控制、自动驾驶、现代汽车上，都装有发动机控制、自动驾驶、ABS,TRC、自动锁车门、主动式悬架、导向系统、电子仪表等装置，这自动锁车

16、门、主动式悬架、导向系统、电子仪表等装置，这些装置都需要汽车车速信号，车速传感器就可以产生所需要些装置都需要汽车车速信号，车速传感器就可以产生所需要的信号。带齿的转子就设置在传感器的旋转体上，与齿形的的信号。带齿的转子就设置在传感器的旋转体上，与齿形的凹凸相应产生输出信号，由此可以测出回转体的转速、加减凹凸相应产生输出信号，由此可以测出回转体的转速、加减速状态等。速状态等。 如如图图9-15所示，车速传感器是由永磁铁、铁芯及线圈组成所示，车速传感器是由永磁铁、铁芯及线圈组成的。当传感器的顶端设置在靠近带齿的转子处、带齿的转子的。当传感器的顶端设置在靠近带齿的转子处、带齿的转子旋转时，传感头与转

17、子之间通过的磁通量不是永磁铁发出的旋转时，传感头与转子之间通过的磁通量不是永磁铁发出的固定磁通，而是变化的，所以，线圈上就会产生交流信号，固定磁通，而是变化的，所以，线圈上就会产生交流信号，图图9-16所示为产生交流信号的状态所示为产生交流信号的状态.返回9.6 笛簧开关式车速传感器笛簧开关式车速传感器 笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成的，触头笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成的，触头由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性材料制成。受玻璃管外由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性材料制成。受玻璃管外磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合，有时互相排斥而断磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合

18、，有时互相排斥而断开，从而形成了触头的开关作用。开，从而形成了触头的开关作用。 笛簧开关的结构如笛簧开关的结构如图图9-17所示。笛簧开关置于车速表的转所示。笛簧开关置于车速表的转子附近，当车速表电缆旋转时，磁铁也旋转，子附近，当车速表电缆旋转时，磁铁也旋转，N,S磁极则靠磁极则靠近或离开笛簧开关的触头。近或离开笛簧开关的触头。下一页返回9.6 笛簧开关式车速传感器笛簧开关式车速传感器9. 6. 1低速时速度报警组件的工作状态低速时速度报警组件的工作状态 在在图图9一一18所示的电路中，当笛簧开关所示的电路中，当笛簧开关SR断开时，电流断开时，电流i1通通过电阻过电阻R1，电容器，电容器C1、

19、二极管、二极管VD2，使电容器，使电容器C1与与C2充电。充电。这时由于这时由于C1和和R1所确定的时间常数较小，所以所确定的时间常数较小，所以C2上所储存上所储存的电荷也比较少。的电荷也比较少。上一页 下一页返回9.6 笛簧开关式车速传感器笛簧开关式车速传感器 当当SR闭合时，电流就会通过闭合时，电流就会通过R1,R2，储存在，储存在C1中的电荷这时中的电荷这时也通过也通过R2放电，储存在几中的电荷以形成放电，储存在几中的电荷以形成i3的形式放电，这的形式放电，这时，由于时，由于SR闭合时间较长，所以闭合时间较长，所以C2上的电荷可完全放完在上的电荷可完全放完在放电时，由于放电时，由于C2所

20、储存的电荷较少，所储存的电荷较少，A点电压较低，所以晶点电压较低，所以晶体管体管VTr1的基极电压的基极电压E,还不能使还不能使VTr1导通，这时晶体管导通，这时晶体管VTr1截止，截止， VTr2导通，导通， VTr3截止，继电器不动作，蜂鸣截止，继电器不动作，蜂鸣器也不叫。器也不叫。上一页 下一页返回9.6 笛簧开关式车速传感器笛簧开关式车速传感器9. 6. 2高速时速度报警组件的工作状态高速时速度报警组件的工作状态 高速时，如高速时，如图图9-19所示，所示，SR的闭合时间缩短，储存在的闭合时间缩短，储存在C2中中的电荷在没有完全放完的情况下又被充电。的电荷在没有完全放完的情况下又被充电

21、。C2端电压的上升端电压的上升情况如情况如图图9-20所示。但是，由于稳压二极管所示。但是，由于稳压二极管Z0的作用，几的作用，几的端电压被控制在一定的范围内。的端电压被控制在一定的范围内。 当储存在电容器当储存在电容器C2中的电荷开始放电时，中的电荷开始放电时，A点电位升高并足点电位升高并足以使以使VTr1导通，这时因导通，这时因VTr2的基极电压处于被短路状态，的基极电压处于被短路状态，VTr2截止。当截止。当VTr2截止时，截止时，VTr3的基极电压的基极电压Eb已达到足以已达到足以使使VTr3导通的电压，这时继电器动作，使蜂鸣器电路形成通导通的电压，这时继电器动作，使蜂鸣器电路形成通路

22、，蜂鸣器鸣叫。路，蜂鸣器鸣叫。上一页返回9.7 磁阻元件式车速传感器磁阻元件式车速传感器 这种传感器上采用了元件电阻随磁场而变化的磁阻元件这种传感器上采用了元件电阻随磁场而变化的磁阻元件(MRE )，以磁阻元件来检测车速。在检测速度表及变速器，以磁阻元件来检测车速。在检测速度表及变速器等装置的转速时，可以把这种传感器直接装在变速器上，这等装置的转速时，可以把这种传感器直接装在变速器上，这样就可以取消仪表的电缆。样就可以取消仪表的电缆。 磁阻元件式车速传感器的结构如磁阻元件式车速传感器的结构如图图9一一21所示，它有两个主所示，它有两个主要部件要部件:磁环与内装磁阻元件磁环与内装磁阻元件(MRE

23、)的混合集成电路。传感的混合集成电路。传感器的工作原理如器的工作原理如图图9一一22所示，当齿轮驱动传感器轴旋转时，所示，当齿轮驱动传感器轴旋转时，与轴连在一起的多极磁环也同时旋转，磁环旋转引起的磁通与轴连在一起的多极磁环也同时旋转，磁环旋转引起的磁通变化，使集成电路内的磁敏元件的阻值发生变化变化，使集成电路内的磁敏元件的阻值发生变化下一页返回9.7 磁阻元件式车速传感器磁阻元件式车速传感器 利用磁阻元件的阻值变化就可以检测出磁铁旋转引起的磁通利用磁阻元件的阻值变化就可以检测出磁铁旋转引起的磁通变化。阻值的变化引起其上电压的变化，将电压的变化输入变化。阻值的变化引起其上电压的变化，将电压的变化

24、输入到比较器中进行比较，再由比较器输出信号控制晶体管的导到比较器中进行比较，再由比较器输出信号控制晶体管的导通和截止。磁阻元件式车速传感器的电路原理如通和截止。磁阻元件式车速传感器的电路原理如图图9-23所所示。示。上一页返回9.8 光电式车速传感器光电式车速传感器 光电式车速传感器的外观如光电式车速传感器的外观如图图9一一24所示。传感器上有发光所示。传感器上有发光二极管、光敏元件以及速度表电缆驱动的遮光板。传感器的二极管、光敏元件以及速度表电缆驱动的遮光板。传感器的工作原理可用工作原理可用图图9一一25来加以说明。采用了车速传感器的数来加以说明。采用了车速传感器的数字式速度表的结构和方框图

25、如字式速度表的结构和方框图如图图9一一26所示，它主要是由荧所示，它主要是由荧光管、微型计算机及集成电路构成的。荧光管根据车速传感光管、微型计算机及集成电路构成的。荧光管根据车速传感器输出的脉冲信号显示车速，并把其他信号输入到里程表、器输出的脉冲信号显示车速，并把其他信号输入到里程表、燃油表。燃油表。下一页返回9.8 光电式车速传感器光电式车速传感器 速度表的电路方框图如速度表的电路方框图如图图9-27所示，传感器产生的脉冲信所示，传感器产生的脉冲信号经整形后输入到计数电路中，在记忆电路中被记忆下来。号经整形后输入到计数电路中，在记忆电路中被记忆下来。而定时电路输出信号决定计数电路的计测时间和

26、记忆电路的而定时电路输出信号决定计数电路的计测时间和记忆电路的记忆时间。记忆电路的输出信号加到显示电路上，荧光管根记忆时间。记忆电路的输出信号加到显示电路上，荧光管根据速度传感器输出的脉冲数显示车速。据速度传感器输出的脉冲数显示车速。上一页 返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9.9.1前言前言 与异向性磁阻元件相比，可使电阻变化率高一个数量级的巨与异向性磁阻元件相比，可使电阻变化率高一个数量级的巨磁电阻磁电阻(GMR)效应的发现已经过去了近效应的发现已经过去了近20年。在这短短的年。在这短短的20年间，年间，GMR电阻已应用在硬盘的磁头上，以及应用在磁电阻已应用在硬盘的磁头上，

27、以及应用在磁场传感器上。但是，对于温度条件非常苛刻的汽车传感器来场传感器上。但是，对于温度条件非常苛刻的汽车传感器来说，与其他部件相比，说，与其他部件相比，GMR应用的步伐比较缓慢。因此可以应用的步伐比较缓慢。因此可以认为，认为，GMR薄膜在高温下的长期稳定性还是一项没有彻底解薄膜在高温下的长期稳定性还是一项没有彻底解决的课题。但是，一些厂家以提高高温稳定性为中心课题，决的课题。但是，一些厂家以提高高温稳定性为中心课题，开发了采用开发了采用GMR电阻的车用转速传感器，并进一步为了提高电阻的车用转速传感器，并进一步为了提高其抗干扰性能，将信号处理其抗干扰性能，将信号处理IC和和GMR电阻制成了单

28、片电阻制成了单片IC电电路。下面就对这种传感器特性加以论述。路。下面就对这种传感器特性加以论述。下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9. 9. 2 GMR电阻的热稳定性电阻的热稳定性 GMR膜是由以膜是由以Co为主要成分的磁性层和非磁性层为主要成分的磁性层和非磁性层Cu层重叠层重叠制成的。在形成磁性层与制成的。在形成磁性层与Cu层的薄膜时，实现了层的薄膜时，实现了MR比较大比较大而且磁滞最小的最佳化。而且磁滞最小的最佳化。图图9一一28所示为刚加工完的所示为刚加工完的GMR电阻以及经电阻以及经170,1000h长期高温存放后的长期高温存放后的GMR电阻的电阻的MR曲线。由图

29、可知，经长期高温存放之后，曲线。由图可知，经长期高温存放之后，GMR电阻的特电阻的特性发生了变化。为了防止特性的这种变化，尝试预先将性发生了变化。为了防止特性的这种变化，尝试预先将GMR电阻在高温下进行热处理，以提高其热稳定性。经电阻在高温下进行热处理，以提高其热稳定性。经10h热处热处理后，改变热处理温度，分析理后，改变热处理温度，分析MR曲线的变化情况如曲线的变化情况如图图9一一29所示。所示。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点 在热处理温度升到在热处理温度升到250的过程中，电率是不断增加的。在的过程中，电率是不断增加的。在热处理温度为热处理温度为300时，

30、电阻率不仅急剧地减小，而且饱和时，电阻率不仅急剧地减小，而且饱和磁场及磁滞之也在增加，呈现出不适合作传感元件的特性磁场及磁滞之也在增加，呈现出不适合作传感元件的特性 从检测元件的特性来看，在从检测元件的特性来看，在200250似乎是最佳温度似乎是最佳温度范围，但是考虑到车用的严酷的温度条件，一般认为范围，但是考虑到车用的严酷的温度条件，一般认为:从热稳从热稳定性要求较高的角度来看，还要提高温度，但一般认为热处定性要求较高的角度来看，还要提高温度，但一般认为热处理温度为理温度为250是适当的温度。这时是适当的温度。这时GMR电阻，的电阻变电阻，的电阻变化率高达化率高达34%，但磁滞损耗小，呈现出

31、作为检测元件的良，但磁滞损耗小，呈现出作为检测元件的良好特性。好特性。 对于经这种温度热处理后的对于经这种温度热处理后的GMR电阻的长期高温稳定性，可电阻的长期高温稳定性，可以确保车载用传感器具有足够高的热稳定性。以确保车载用传感器具有足够高的热稳定性。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9. 9. 3信号处理信号处理IC与单片化与单片化 在将在将GMR电阻与信号处理电阻与信号处理IC进行单片化的场合下，考虑到进行单片化的场合下，考虑到GMR电阻的耐热温度时，应该是先制成电阻的耐热温度时，应该是先制成IC后再制作后再制作GMR电电阻。这里应该考虑的有如下两个较大的课

32、题阻。这里应该考虑的有如下两个较大的课题. (1)以信号处理以信号处理IC的层间绝缘膜的层间绝缘膜(PSG膜膜)为底层，应得到良为底层，应得到良好的好的GMR特性特性. (2)在在GMR膜形成及此后的蚀刻膜形成及此后的蚀刻(IBE)过程中，不应该损伤过程中，不应该损伤信号处理信号处理IC.上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点 众所周知，第一个课题是通过适当的预处理来实现的。这里众所周知，第一个课题是通过适当的预处理来实现的。这里所说的预处理是指蚀刻技术对所说的预处理是指蚀刻技术对GMR膜的底层膜的底层“层间绝缘膜层间绝缘膜的表面的表面”的处理，加长预处理的时间时，不

33、但可以得到良好的处理，加长预处理的时间时，不但可以得到良好的电阻变化率，而且不一致性也小一般认为，蚀刻的电阻变化率，而且不一致性也小一般认为，蚀刻(IBE)的的效果就是因为经过处理后，已污浊的层间绝缘膜表面变得清效果就是因为经过处理后，已污浊的层间绝缘膜表面变得清洁的同时，较大的凹凸也变的平缓。洁的同时，较大的凹凸也变的平缓。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点 第二个课题是指在制造第二个课题是指在制造GMR电阻时对电阻时对IC的损伤。在制造的损伤。在制造GMR的过程中，在溅射成膜及蚀刻时，由于荷电粒于造成的过程中，在溅射成膜及蚀刻时，由于荷电粒于造成IC损伤，引发

34、损伤，引发IC特性不良，就会出现故障，因此在一般认为特性不良，就会出现故障，因此在一般认为特别容易受到损伤的特别容易受到损伤的GMR电阻与电阻与IC连接部分设置保护用二连接部分设置保护用二极管。由此，即便是从最敏感的晶体管的工作特性来看，可极管。由此，即便是从最敏感的晶体管的工作特性来看，可以确认到以确认到:在制造在制造GMR电阻的前后过程中，电阻的前后过程中，IC特性根本不会特性根本不会发生变化。发生变化。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9. 9. 4车用转速传感器的构成与原理车用转速传感器的构成与原理 转速传感器是由本文所述的转速传感器是由本文所述的IC片、

35、永久磁铁以及过电流的保片、永久磁铁以及过电流的保护部件构成的，如护部件构成的，如图图9-30所示。所示。 转速传感器用来检测由软磁性材料制成的齿轮的转速，当永转速传感器用来检测由软磁性材料制成的齿轮的转速，当永久磁铁靠近齿轮时，齿轮的齿被磁化，因为被磁化的齿为久磁铁靠近齿轮时，齿轮的齿被磁化，因为被磁化的齿为GMR电阻建立磁场，这样随着转速的变化，磁场就加到了电阻建立磁场，这样随着转速的变化，磁场就加到了GMR电阻上。电阻上。 上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点 加到加到GMR电阻上的磁场的变化使电阻上的磁场的变化使GMR电阻的电阻、进而使电阻的电阻、进而使其两端

36、的电压发生变化。信号处理电路将此电压变化加以放其两端的电压发生变化。信号处理电路将此电压变化加以放大，并进行比较，将齿轮的旋转变换成双值的电信号，由此大，并进行比较，将齿轮的旋转变换成双值的电信号，由此就可以检测出齿轮的边缘。就可以检测出齿轮的边缘。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9. 9. 5传感器的特性传感器的特性 采用以上所示的转速传感器测定采用以上所示的转速传感器测定图图9一一31所示形状齿轮的转所示形状齿轮的转速，测定精度的误差由转速传感器的输出与对监测齿轮旋转速，测定精度的误差由转速传感器的输出与对监测齿轮旋转的高精度的编码器信号的高精度的编码器信号

37、(基准信号基准信号)的时间差给出。的时间差给出。 图图9一一32是输出时间与气隙之间的关系，也就是改变齿轮齿是输出时间与气隙之间的关系，也就是改变齿轮齿顶与传感头间隔顶与传感头间隔d时的测定精度。时的测定精度。 图图9一一33是输出时间与气隙之间的关系。是输出时间与气隙之间的关系。 图图9一一34是输出时间与气隙之间的关系。是输出时间与气隙之间的关系。上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点9.9.6结论结论 以上分析了作为车载用转速传感器的磁场检测元件以上分析了作为车载用转速传感器的磁场检测元件GMR电电阻的应用。一般认为高温稳定性较差的阻的应用。一般认为高温稳定性较

38、差的GMR电阻经适当条件电阻经适当条件的热处理之后，可以提高其热稳定性。经的热处理之后，可以提高其热稳定性。经170,2000h的的长期高温存放之后，其特性只有微小的变化，因此，可用作长期高温存放之后，其特性只有微小的变化，因此，可用作车载用传感器。此外，将其与信号处理车载用传感器。此外，将其与信号处理IC进行单片化制成进行单片化制成GMR传感器传感器IC，通过预处理可以得到稳定的，通过预处理可以得到稳定的MR特性。还有，特性。还有，通过设置保护二极管，在通过设置保护二极管，在GMR电阻制造的过程中，不仅对信电阻制造的过程中，不仅对信号处理号处理IC没有损害，而且晶体管特性也没有老化现象。没有

39、损害，而且晶体管特性也没有老化现象。 上一页 下一页返回9.9 GMR电阻的功能与特点电阻的功能与特点 与传统的采用霍尔元件的转速传感器相比，与传统的采用霍尔元件的转速传感器相比，GMR转速传感器转速传感器具有同等以上的特性，特别是重复精度更呈现出良好的效果。具有同等以上的特性，特别是重复精度更呈现出良好的效果。 GMR转速传感器是由转速传感器是由IC电路块与永久磁铁构成的，而电路块与永久磁铁构成的，而IC电电路块是由路块是由GMR电阻与处理电路组成的。电阻与处理电路组成的。GMR电阻中的图形电阻中的图形检测出齿轮旋转所形成的磁通变化，再利用两个检测出齿轮旋转所形成的磁通变化，再利用两个GMR

40、电阻的电阻的图形所构成的惠斯顿电桥，将温度变化造成的影响抑制到最图形所构成的惠斯顿电桥，将温度变化造成的影响抑制到最小的程度，将惠斯顿电桥的输出经放大电路、比较电路放大小的程度，将惠斯顿电桥的输出经放大电路、比较电路放大之后形成矩形波对外输出。之后形成矩形波对外输出。上一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用9. 10.1前言前言 为了对燃油喷射、点火时间以及变速等实施更精细的控制，为了对燃油喷射、点火时间以及变速等实施更精细的控制，就需要车用转速传感器能够高精度地检测旋转角度。传感器就需要车用转速传感器能够高精度地检测旋转角度。传感器的装车环境、温度、湿度以及

41、噪声等环境是相当严酷的，因的装车环境、温度、湿度以及噪声等环境是相当严酷的，因此，传感器必须具有高可靠性，耐环境特性此，传感器必须具有高可靠性，耐环境特性(耐热性，耐干扰耐热性，耐干扰特性等特性等)。下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 此外，作为实现与采用启动时的早期点火，汽车厂提出了怠此外，作为实现与采用启动时的早期点火，汽车厂提出了怠速停机机构等的新方案。为了能够制造出新的系统，从速停机机构等的新方案。为了能够制造出新的系统，从1990年起，汽车电气厂家开始批量生产采用了高性能磁电年起，汽车电气厂家开始批量生产采用了高性能磁电变换变换(将磁场强度变换

42、成电压的元件将磁场强度变换成电压的元件)的的GMR(巨磁巨磁)元件，元件，用于车用转速传感器上。这就是上面说明过的从用于车用转速传感器上。这就是上面说明过的从1990年开年开始，批量生产的采用始，批量生产的采用GMR元件的车用转速传感器。此外，厂元件的车用转速传感器。此外，厂家还开发并批量生产了可以检测旋转停止位置的传感器家还开发并批量生产了可以检测旋转停止位置的传感器(停止停止位置检测传感器位置检测传感器)，以及可以检测旋转方向的传感器，以及可以检测旋转方向的传感器(反向旋反向旋转检测用传感器转检测用传感器)。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用

43、9.10. 2车用转速传感器车用转速传感器 图图9一一35所示为车用普通转速传感器检测系统的构成，其由所示为车用普通转速传感器检测系统的构成，其由安装在旋转轴安装在旋转轴(例如发动机的曲轴例如发动机的曲轴)上的齿轮及相应配置的转上的齿轮及相应配置的转速传感器组成。转速传感器上内装有磁电变换元件与永久磁速传感器组成。转速传感器上内装有磁电变换元件与永久磁铁，在齿轮旋转时，永久磁铁与软磁性材料制作的齿轮产生铁，在齿轮旋转时，永久磁铁与软磁性材料制作的齿轮产生磁场变化，元件检测出此磁场的变化。磁场变化，元件检测出此磁场的变化。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的

44、应用应用9.10. 3 GMR转速传感器转速传感器 (1)特点。要想实现传感器的高精度，很重要的一点是获得特点。要想实现传感器的高精度，很重要的一点是获得高信噪比的信号，与半导体霍尔元件相比，高信噪比的信号，与半导体霍尔元件相比，GMR元件的灵敏元件的灵敏度要高两个数量级。与强磁性体度要高两个数量级。与强磁性体(MR)元件相比，元件相比，GMR元件元件的电阻变化率高一个数量级以上，在实用的磁场范围的条件的电阻变化率高一个数量级以上，在实用的磁场范围的条件下，可以获得很大幅度的信号，由此可以实现高信噪比下，可以获得很大幅度的信号，由此可以实现高信噪比(S/N).上一页 下一页返回9.10 GMR

45、元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 (2)工作原理。工作原理。图图9一一36是是GMR元件的特性曲线元件的特性曲线(MR曲线曲线)。利用传感器内装的永久磁铁，将偏磁场加到利用传感器内装的永久磁铁，将偏磁场加到MR元件上。利元件上。利用齿轮的旋转，当接近凸齿时，加在元件上的磁场变强，元用齿轮的旋转，当接近凸齿时，加在元件上的磁场变强，元件的电阻变小。件的电阻变小。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 (3)构成。构成。图图9一一37为为GMR转速传感器的内部结构。传感器转速传感器的内部结构。传感器的顶端为的顶端为GMR元件与单片化的双极

46、式元件与单片化的双极式IC、永久磁铁，由此、永久磁铁，由此构成了磁路构成了磁路IC块就是由高电压、过电压保护用以及电磁兼容块就是由高电压、过电压保护用以及电磁兼容性性(EMC)芯片部件封装而成。此芯片部件封装而成。此IC封装件就固定在嵌件模封装件就固定在嵌件模块部件上，并用树脂制成一个整体块部件上，并用树脂制成一个整体. (4)电路的构成。电路的构成。图图9一一38是是GMR转速传感器基本电路的构转速传感器基本电路的构成。成。GMR元件构成桥式电路，工作时，将桥式电路中的中点元件构成桥式电路，工作时，将桥式电路中的中点电位进行差动放大，再由比较电路输出数字信号。电位进行差动放大，再由比较电路输

47、出数字信号。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用9. 10. 4 GMR转速传感器的应用转速传感器的应用 (1)标准传感器标准传感器 应用。标准传感器具有应用。标准传感器具有GMR转速传感器的特点，并实现高转速传感器的特点，并实现高精度检测，因此，其被广泛地应用在发动机控制与变速箱控精度检测，因此，其被广泛地应用在发动机控制与变速箱控制上。制上。 元件构成与元件信号。传感器布置在元件构成与元件信号。传感器布置在IC块的块的2处构成桥式处构成桥式电路。当齿轮旋转时，桥式电路的中心点电位就会按照元件电路。当齿轮旋转时，桥式电路的中心点电位就会按照元件距

48、离的时间差变化，即按正弦波变化。距离的时间差变化，即按正弦波变化。 输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号按正弦波输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号按正弦波变化、在齿的两端附近出现峰值，所以比较电路输出边沿信变化、在齿的两端附近出现峰值，所以比较电路输出边沿信号，在齿的中心附近对外输出。通过元件的布置与桥式电路，号，在齿的中心附近对外输出。通过元件的布置与桥式电路，可以有效地放大可以有效地放大GMR元件的信号幅度，实现高精度检测。元件的信号幅度，实现高精度检测。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 (2)停止位置检测用传感器。停止位置检

49、测用传感器。 应用。停止位置检测用传感器除了具有标准传感器的高精应用。停止位置检测用传感器除了具有标准传感器的高精度检测功能之外，还可以检测出齿轮的停止位置，称这种性度检测功能之外，还可以检测出齿轮的停止位置，称这种性能为能为PUR(Power Up Recognition)功能，在发动机上、功能，在发动机上、特别是在凸轮角度传感器上采用这种传感器，就可以实现发特别是在凸轮角度传感器上采用这种传感器，就可以实现发动机气缸的早期判别。动机气缸的早期判别。 上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 元件构成与元件信号。传感器元件布置在元件构成与元件信号。传

50、感器元件布置在IC块的三处构成块的三处构成桥式电路，当齿轮旋转时、磁场就会按照图中的桥式电路，当齿轮旋转时、磁场就会按照图中的C部位一部位一D部部位一位一E部位的顺序加到元件上，按照元件距离的时间差，桥部位的顺序加到元件上，按照元件距离的时间差，桥式电路的中点电位发生变化，从而在式电路的中点电位发生变化，从而在D部位产生较大变化。部位产生较大变化。 输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号会与齿形输出信号与特点。因为中点电位的差动放大信号会与齿形产生相似的变化，所以比较电路输出信号的边缘信号产生相似的变化，所以比较电路输出信号的边缘信号(图中的图中的上升信号与下降信号上升信号与下降信号)可在

51、齿的两棱附近输出。由于信号波形可在齿的两棱附近输出。由于信号波形与齿形相似，即使在齿轮的停止状态，也可以按照齿顶或齿与齿形相似，即使在齿轮的停止状态，也可以按照齿顶或齿底的差别输出电位。底的差别输出电位。上一页 下一页返回9.10 GMR元件在转速传感器上的元件在转速传感器上的应用应用 (3)反向旋转检测用传感器。反向旋转检测用传感器。 应用。反向旋转检测用传感器除了具有标准传感器的高精应用。反向旋转检测用传感器除了具有标准传感器的高精度检测之外，还可以检测齿轮的旋转方向。适用于新型怠速度检测之外，还可以检测齿轮的旋转方向。适用于新型怠速停机机构及高效变速器等上，由此可应用于发动机及变速器停机

52、机构及高效变速器等上，由此可应用于发动机及变速器的控制。的控制。 旋转方向的检测旋转方向的检测(反向旋转检测反向旋转检测)的原理。为了检测齿轮的的原理。为了检测齿轮的旋转方向，需要两个信号，一个是时钟信号，另一个是数据旋转方向，需要两个信号，一个是时钟信号，另一个是数据信号。也就是说，根据时钟信号的时间检测出数据信号，再信号。也就是说，根据时钟信号的时间检测出数据信号，再利用逻辑电路判断旋转方向。因此，这两个信号需要有相位利用逻辑电路判断旋转方向。因此，这两个信号需要有相位差，从原理上看，标准传感器的信号差，从原理上看，标准传感器的信号(齿中间齿中间)与停止位置检与停止位置检测传感器的信号有相位差，所以是适用的。测传感器的信号有相位差，所以是适用的。上一页 下一页返回9.10 GM