旋轉(zhuǎn)霍爾效應磁傳感器選擇的利弊

MPS MagAlpha系列提供了旋轉(zhuǎn)霍爾效應磁傳感器，當磁體在傳感器上方或側(cè)方旋轉(zhuǎn)時，它可以感應磁體的位置。磁體的準確尺寸、形狀和材料應根據(jù)具體的應用需求和目標成本進行選擇。本文討論了各種選擇的利弊，以及如何為一個應用選擇合適的磁體。

簡介

MPS MagAlpha傳感器在芯片中心采用了霍爾元件陣列，用于感測旋轉(zhuǎn)磁體的磁場。磁場來自位于傳感器上方或側(cè)方徑向極化磁體形成的簡單偶極子場（請參見圖1）。

圖1: MagAlpha傳感器的同軸和側(cè)軸模式

霍爾陣列感應平行于芯片表面的場矢量。通常，MagAlpha傳感器要求此水平分量的磁場強度在30mT至150mT（millitesla）之間。要確保磁場落在所要求的正確范圍之內(nèi)，磁性材料的類型、磁體尺寸以及與傳感器之間的距離，都是要考慮的因素。

磁性材料及其成本

磁體形式多樣，通常由磁性元素與化合物組合而成。這些化合物可以通過兩種方式制成磁體：燒結(jié)（在高溫下熔化）成固體磁體；或通過模制結(jié)構(gòu)制成，其中的磁性材料利用塑料聚合物載體化合物以顆粒形式懸浮。燒結(jié)磁體具有更高的磁場強度，因為與粘結(jié)聚合物磁體相比，其磁性材料堆積地更加緊密。

磁體成本取決于磁體的體積、構(gòu)造中使用的材料類型以及制造過程。燒結(jié)磁體通常比相同尺寸和體積的粘結(jié)磁體昂貴，這是因為它們具有更大的磁場強度和磁性材料密度。

由于鐵化合物基材廣泛存在，因此鐵氧體磁體成本最為低廉。而由釹鐵硼或釤鈷合金制成的“稀土”型磁體則由于原材料的稀缺而昂貴很多。

當需要較大尺寸的磁體時，由鐵氧體或稀土化合物制成的粘結(jié)聚合物磁體由于密度較低，因此可以控制成本。在磁體形狀定制方面，它們也具有更大的靈活性。但由于所含磁性材料密度較低，因此粘結(jié)聚合物磁體的磁場強度也較弱。

燒結(jié)稀土磁體用于小尺寸磁盤（直徑最大約10mm）時效益較高，而且可用于同軸和側(cè)軸拓撲。在有些應用中，磁體要安裝在較大的旋轉(zhuǎn)軸上，此時會需要使用較大的磁環(huán)（例如直徑為20mm或40mm）。為了降低成本，這些大磁環(huán)通常使用粘結(jié)聚合物稀土磁體制成，以減小所含磁性材料的總體積。

磁場強度vs.材料類型

特定磁體類型的磁場強度（或磁通密度）由其剩余磁場來度量，通常表示為“ Br”。它是磁化過程之后的剩余磁場。

磁場強度用特斯拉（T）或高斯（S）表示。1特斯拉（1T）等于10,000高斯。Tesla也可以用SI千克單位/安培秒平方表示，即T = kg/As2.

磁性材料最常見的形式是氧化鐵基鐵氧體。將它與其他化合物（例如鋇或碳酸鍶）燒結(jié)在一起就可以制成硬質(zhì)鐵氧體磁體。這種磁體成本最低，并且具有200mT至400mT的較低場強。而粘結(jié)聚合物鐵氧體結(jié)構(gòu)或“塑性鐵氧體”則進一步降低了場強。與燒結(jié)類型具有相同尺寸和體積的粘結(jié)聚合物鐵氧體磁體，其場強在100mT至200mT之間。

“稀土“釹或釤鈷磁體之所以受歡迎，是因為它們以更小的體積提供了更高的場強。根據(jù)其等級的不同，這類燒結(jié)磁體可提供900mT至1400mT的剩磁。磁體等級用數(shù)字“N“來表示，N越高表示剩磁（Br）越高。例如，N35具有約1.2T的Br，而N48具有約1.4T的Br。如果磁體通過粘結(jié)聚合物制成，則這些Br值通常減半。表1總結(jié)了最常見的磁體類型及其相關(guān)特性。

表1：磁體材料的類型和特性

“同軸”模式下的場強和距離

根據(jù)近似逆立方定律，磁場強度隨距離而衰減。磁體的初始剩磁（Br）決定了傳感器應與磁體表面保持多近的距離才能感應出足以進行操作的磁場。

在同軸模式下，MagAlpha傳感器僅檢測直接存在于磁體底側(cè)兩極之間的切向磁場（Bt）。

例如，一個徑向磁化的盤狀磁體剩磁為1.0T，直徑為5mm，高度為3mm。圖2顯示了其切向剩磁場的衰減，其磁體表面之下低于200mT的剩磁在10mm的距離內(nèi)衰減到低于5mT。圖3顯示了磁體的側(cè)視圖。

圖2：磁場與距離的關(guān)系–具有1T剩磁的5mmx3mm釹磁體

MagAlpha傳感器通常需要30mT的最小磁場。磁場在z = 5mm時達到30mT的下限。其中z值是從磁體高度的一半到傳感器芯片內(nèi)部霍爾陣列元件表面的距離。因此，磁體和傳感器之間的最大氣隙為3mm（計算方法為：z = 5mm，減去磁體高度的一半，即H = 1.5mm；然后再減去0.5mm，即MagAlpha封裝與霍爾陣列表面之間的距離 。）請參見圖3。

圖3：通過磁體和傳感器的側(cè)視圖顯示“ z”的尺寸

通常我們推薦的目標場強為40mT至60mT。在上面的示例中，等效于z 等于4.3mm至3.7mm，而物理氣隙為2.3mm至1.7mm。

對剩磁為300mT的燒結(jié)鐵氧體磁體進行同樣的分析，要達到最小30mT的磁場，z值將減小至2.8mm，而與傳感器之間的氣隙應減小至不大于0.8mm（計算方法：z=2.8mm，減去磁體高度的一半1.5mm，再減去內(nèi)部芯片封裝到霍爾陣列的距離0.5mm）。如圖4所示。

圖4：磁場與距離的關(guān)系–具有0.3T剩磁的5mmx3mm鐵氧體磁體

具有一定裕量的40mT目標磁場是最理想的，但它需要的氣隙也更小，僅為0.3mm（計算方法：2.3mm-1.5mm-0.5mm）。使用剩磁較弱的磁體成本較低，但也會限制設(shè)計中的最大可用氣隙范圍。

要了解如何為同軸MagAlpha選擇合適的磁體尺寸和位置，請參見應用說明“適用于同軸拓撲MagAlpha的磁體”

上述示例中用到的MagAlpha系列磁性仿真工具可以在 這里找到。該工具支持MagAlpha系列提供的所有可能磁體類型和傳感器-磁體拓撲。它提供了一種有效的方法，來評估在不同磁體類型和位置條件下傳感器的性能，無需進行反復試驗。 該工具還可根據(jù)各種機械和磁公差等級來評估對傳感器性能的影響。

單擊此處可以獲取有關(guān)MagAlpha傳感器范圍的更多信息。本系列的下一篇文章將舉例說明如何使用仿真工具配置側(cè)軸拓撲中的MagAlpha。
審核編輯：彭菁