magnetic sensors for automotive applcations

5
Magnetic sensors for automotive applications C.P.O. Treutler Robert Bosch GmbH, Corporate Research and Development, Research 1, Physical Technologies, Deptartment of FV/FLT, P.O. Box 106050, D-70049 Stuttgart, Germany Abstract Magnetic sensors offer several key advantages: they allow contactless and, consequently, wear-free measurement of mechanical quantities like angle of rotation and angular speed. They are robust and inexpensive to manufacture. As one example of magnetic sensors in production at Robert Bosch GmbH, the steering wheel sensor LWS3 is shown, developed for the electronic stability program ESP), which prevents vehicles from spinning. We recently demonstrated, that the inherent limitation of the AMR-effect to an 1808 angular range can be overcome by using a switchable magnetic ®eld generated inside the sensor element. For a new generation of magnetic sensors, the technology of giant magneto-resistance GMR) thin ®lm systems promises several advantages like larger working distances, more precise angular position measurement in a wider range up to 3608), smaller and therefore cheaper sensor chips and economic system solutions due to the higher signal output. A GMR multilayer system of CoCu/Cu was developed, which ful®lls the requirement of having no hysteresis in the magneto-resistive characteristics. On the other hand, research is still going on for sensitive GMR layers, which are stable at temperatures of 2008C or more) for long time periods of at least 500 h. Thin ®lm systems of spin valve type, used in read heads for disc drives, have been thoroughly evaluated about whether they can be used in sensors for automotive applications. The great challenge is to generate GMR thin ®lm systems which cover a much wider range of features than the existing technologies of Hall and AMR and which can be produced at lower cost. Only versatile GMR sensors will lead to high production volumes, which are needed for a cost ef®cient fabrication as in other modern micro technologies. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Magnetic sensors; Automotive applications; Giant magneto-resistance GMR) 1. Introduction Future automotive electronic systems will further improve driver safety, as well as comfort, engine ef®ciency and performance. The strongly increasing application of these systems will create a strong demand for reliable, high performance, and low cost sensors, leading to the develop- ment of new technologies. Magnetic sensors offer several key advantages: they allow contactless and, consequently, wear-free measurement of mechanical quantities like angle of rotation and angular speed. They are robust and inexpen- sive to manufacture [1]. 2. Sensor types and technologies First anti-lock brake systems used simple inductive coil sensors to measure the wheel speed variable reluctance sensors). On the basis of Hall-effect- or anisotropic magneto-resistance AMR) elements, new ``active'' sensors allow close-to-zero speed measurement, and deliver addi- tional information like stand still detection and direction of rotation. Furthermore, the technology of giant magneto- resistance GMR) materials currently under development offers higher signals, which are easier to evaluate, and new cost saving concepts, devices with larger ®tting tolerances, for example. 2.1. Wheel speed sensors, and incremental position sensors This type of sensor delivers a de®ned number of counts per turn of a rotating axis. Typically, a magnetic multipole wheel is used in order to create a periodically varying magnetic ®eld. Another possibility is to use a gear wheel made of ferromagnetic material and an external magnet. The ®eld is detected by a magnetic sensor and then converted into the speed of rotation, as shown in Fig. 1. Typical applications are wheel speed sensors for the anti-lock brake system, vehicle dynamics control, etc. speed and position sensors for engine control, as well as incremental angular encoders for various applications. Sensors and Actuators A 91 2001) 2±6 E-mail address: [email protected] C.P.O. Treutler). 0924-4247/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0924-424701)00621-5

Upload: chandra-harsha

Post on 21-Apr-2015

23 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Sensors and Actuators A 91 (2001) 2±6Magnetic sensors for automotive applicationsC.P.O. TreutlerRobert Bosch GmbH, Corporate Research and Development, Research 1, Physical Technologies, Deptartment of FV/FLT, P.O. Box 106050, D-70049 Stuttgart, GermanyAbstract Magnetic sensors offer several key advantages: they allow contactless and, consequently, wear-free measurement of mechanical quantities like angle of rotation and angular speed. They are robust and inexpensive to manufacture. As one

TRANSCRIPT

Page 1: Magnetic Sensors for Automotive Applcations

�������� ��� �� � ������ ����������

������ ��� ���������� ��� ��� � ��������� ������ ��� ������������ ������ �� ������ �����������

����������� �� �� �!�� �"#" ��$ �%&%'%� �()%%*+ ,�-������� �������

��������

�������� ��� ���� ������ ��� ���������� ���� ���� �������� ���� ���� ������ ��������� ��� ������ � ����������

� ������� ���� ����� � ������ ��� ��� ��� ����� ���� ��� � � ��� ���!������ � ��� ���� ���

" �� �!����� � �������� ��� �� ��� ���� �� # ��� $�� %� &� ��� ������� ����� ��� '()* � ���� �������� �� ���

��������� �� ����� ������ +,)�-� ����� ������� ������� ��� �������� (� �������� ����������� ���� ��� �������� ��������� � ���

"�#������� � �� ./0� ��� ��� ����� ��� � ������ � ��� � ������ �� �������� 1��� ��������� ����� ��� ��� ��������

2� � ��� ��������� � �������� ���� ��� �������� � ����� ��������������� +%�#- ���� 1�� ���� ����� ������

��������� ���� ������ ������ �������� ��� ������ ��� ��� ����� ��� ������ �� � ����� ����� + � � *30�-� ������ ��� ��������

������� ��� ���� ��� ������ ���� � ��� � � � ��� ������ ����� �� ��

" %�# � �������� ���� � �� 4� �� ��������� ����� � �1�� ��� ��� ������� � ������ � ������� �� ��� ��������������

�������������� �� ��� ���� ����� ������� � ���� ���� � �� ������� %�# ������ ����� ��� �� �� �� �������� �� � 500�� +� ���-

�� ��� ���� ����� � �� ���� 600 �� ���� 1�� ���� � ��� ����� ����� �� �� ���� ���� �� ��� ������ ���� ��� ��� ����

���� ���� � � ������� ���� ��� � �� �� ��� �� � ������ �����������

��� ����� ��������� � � �������� %�# ���� 1�� ���� ����� ���� � � �� ����� ����� � ���� �� ���� ��� �!����� ��������� �

&��� ��� "�# ��� ����� ��� � ��� ��� �� ���� ��� ���� �������� %�# ��� ���� ���� � ���� ��� ���� �� ��� ����� ���

������ �� � �� ��1����� �� ������� � �� ���� ����� ���� ���������� � 500. ,������ )������ $�7� "�� ����� ��������

.��/����0 �������� ���8 " ������ ����������8 %���� ��������������� +%�#-

� ���� ������

2 � �� � ������ ��������� ���� ���� � �����

������ ������ ������ � ���� � ������ ������ ��1������

��� ����������� ��� ������ ��������� ���������� �

���� ���� ���� ������ � ���� ������ �� ����� ��� ����

����������� ��� �� �� ���� ������� � ��� �������

���� � ��� ���������� �������� ��� ���� ������

��� ���������� ���� ���� �������� ���� ���� ������

��������� ��� ������ � ���������� � ������� ���� �����

� ������ ��� ��� ��� ����� ���� ��� � � ��� ���!����

��� � ��� ���� �� 9.:�

� ������ ����� �� ������������

2��� �������� ���� ���� �� ����� ��� ����� ���

��� � ��� �� ��� ����� ���� +����� �� ��� ������

���-� �� ��� �� � &����������� � ��������

��������������� +"�#- �������� ��� ;;������<< ���

���� ������=�� ���� ��� ������� ��� ������� �����

����� ��������� ���� ���� ���� �������� ��� �������� �

������� 2 ��������� ��� �������� � ����� �������

�������� +%�#- �������� � ������� ���� ����������

���� ������ ������ ����� ��� ����� � ���� ���� ��� ���

�� ����� ������� ������ ���� ������ 1����� ���������

�� �!������

1"�" 2��� ����� �������� ��� ���������� �������� �������

��� ���� � ��� ������� � ��1��� � � �� � � ��

��� � �� � � ������� �!�� ���������� � �������� � ������

����� � �� �� ���� � ������ � ����������� �������

�������� 1���� "����� �� ����� � � � � ���� �����

���� � ������������ �������� ��� �� �!������ ������� ���

1��� � �������� � � �������� ��� ��� ���� ��������

��� ��� ���� � ������� � ��� �� 2��� .� �������

���������� ��� ����� ���� ��� �� ��� �������� ����

����� ������� ������� ������ ���� ���� ��� �����

��� �� ������ ������ � ���� � ����������� ��� ���

������ �� ���� �����������

)��� ��� "�� ��� " >. +500.- 5?3

3(���� �������� ����������� ����@��� ����� +������ ��� ����-�

0>5A�A5AB40.4C ? �� ���� ������ � 500. ,������ )������ $�7� "�� ����� ��������

�DD� ) 0 > 5 A � A 5 A B + 0 . - 0 0 3 5 . � 6

Page 2: Magnetic Sensors for Automotive Applcations

1"1" 4���� �� �������� �������� ������� 5-��������

���� ��� ��� �� ��� � � �� ��� ��� ������

���� ��� � ������� �� ���� ��� ��� ����� ���� ��������

������������ ������� � ��� �� ����� ,!����� ���

����� ������ ������ ����� +���� ������� ����� ������

��������� � ������� �����-� �������� ������ ������

����� ������ ����� ���� ���� ��������� � �� �����

��� ������� ��� ����� ��� ���� ����������� )������

���������� � ������� ��� � ��� ��� � ����������� ����

��� � ����������� ������ ���� � ���� �� ���� ������ ���

������< ��� � ��� � ���������� ����� � �� ���� � ���

����� ����� ��� � �� ��� ��� � ������ ����� ����

&��� D�< ��� � �� �� ��� ���� � ��� ��� ��

��E ����� ���� � �������� ���� �� ���� ������� �����

��� �������� 1��� �������� ��� ���������� ��������� �

��� "�#������� ��� � �� � �������� ��������� ���

�������� � � �������� 1��� � � ������ ���� �������

�� ����� �� � ���� ����� ���������� ����������� � ��

����� � ������ ��� � ��� �� 2��� 5�

(� �������� ���� 95:� ���� ��� �������� ��������� � ���

"�#������� � �� ./0� ��� ��� ����� ��� � ������ �

��� � ������ �� �������� 1��� ��������� ����� ��� ���

������� +2��� *-� ��� ����� ������ � �� ��� ��� � � �

��� ���� � !������ 1��� �" ��������� � ������ ��� ��� �

�� � ��������� �� ��� ����� � ��� �!������ 1��� � �� ���

����� � 0?./0� � �� ��� ����� � ./0?*30�� ��� ��� ����

�������� � ��� � !������ 1��� � ���������� � �� ���� �

��� ��!�� � �!������ 1��� ��� � ��� ���� ���� � �������

������� ��� ���� ���� ��� �������� � � � ���� �� �� �

�������� ������� �� ����� ������ � ��� ��� ��� �� ���

��� � � �� � � �� � �� �� � ���� ���������

������� ��� ��� ����� ������� ��� ��F ���� � ��� � !�

������ 1��� � ��� ���� � ��� ����� ��� � �����=�� �

��� ����� � ��� � !������ 1��� � ���� ����� " � �����

����� ��� � ����� ������ ��� .G � ��� �����

������ �� � ���� �� �� � ��������� ��������� ��� �����

� ��� �!������ 1���� 2 ��������� ��� ��� ���� � ��� �����

����� ��� ��� ���� *30� ��� ���� ����� � ��� ��� �

�� ./0� ����� ���� ���������� "�# D�<�

) �� � ���1�� "�# D�� ������ �� "�#*30� �� ��

���� ���� ���� �� ��� �� �� ��� �� ��� ������� �����

��� ����� ��� � ���� �� ��� ������� ���� +2��� A-�

D� � � ��� %�# ��� ���� ��� ��� �� ���� ��� ���

������ %�# �������� ����� ���� ����� ��� ��

�������� *30� ��� ��� ����� ������� � ����� ��� �� ��

� �� ��� ��������� ���� ����� "����������� � � � ��� ������

�� �������� 1��� ������ �� � ������ ��� ��� ��� �������

���������� ��� � ��� � � ����� �����1�� ��� ���� ����

���� ����� ��� ��� � �������� ���� ��� �

�����=���

� ������� ��� ���������� ������������

2� � ������ ����������� �������� ��� ���

��� ���� ����� ���� �� ��� ����� ���� � ����������

2��� .� ��������� � ����� ���� ���4����������� ����� ����

2��� 5� ��������� � ��� ��� ��� H ������������� ������������

2��� *� )����� ��������� � *30� "�# ������� ���� ������� � !������

����� � �����

�"�"#" ���-���� ,������ ��� 4�-����� 4 +� 61%%�7 18& *

Page 3: Magnetic Sensors for Automotive Applcations

��� ��� ������� ���� ���� ������������ ��������

�������� �� ��� �A0 � �.60��� �������� �� ����

��� �� ��� ��� �� � ���� � �� ��� ��� ����������

�� ����� ��� ����������� ��� � � � � 500 ���� � ���

����������� � � � ��������

��� �!����� � �������� ��� �� ��� ���� �� # ���

$�� %� & � ��� ������� ����� ��� '()*� ��������

�� ��� ��������� �� ����� ������ +,)�-� ����� �������

������� ��� �������� ��� � � �� ��� ���� ���� �

����� � .630� +A�* � ��- ���� � ��� ��� � 0�.�� ������ �� � �� �������� � ������ ���� ����������� �����

�������� �� ��� � � �� ����� ��� � � ��� ��� ��������

���� � ����� ��� ������� ������

��� ���� ����� � =�� ����� ��� � ��� �������������

��� �"I ��������� ��� � ����� ������� � ���������

��� ������� ��������� � ��� �� 2��� 6� ��� �������

�� �� ����� �� ���� ����� ���� ������� ��� ��� ���

����� � ��� ���� ����� � ��� ��� � �� "�#

�������� J � � ��������� � � �� � ������ ��� ���� �����

��� �� ��������� ����� ��� �� ������ � �� ��� ���

��� ��� ����� ���� � ���� ���� ��� ���� ������� �����

����� ��� ��� ����� � A�* � ��� $� ��� ���� � � ������

������������ ��������� �� � �� �� � ������ ��� �����

������ ���� ��� ����� ��� �������� " ��������� ")D��

������� �� ��� '()*����� ��� �� � ���� ������ �

���������� � ��� ���� ���� ��������� ��� � �� ��1�����

��� ���� � ��� ����

� ��� ����������

2� � ��� ��������� � �������� ���� ��� ��������

� %�# ���� 1�� ���� � ���� ���������� �� ��� $��

������� ��� �!������ ��������� � � � �� %�# ���

��� ������ ������ �������� ��� ������ ��� ��� �����

��� ������ �� � ����� ����� + � � *30�-� ������ ���

�������� ������� ��� ���� ��� ������ ���� � �

��� � � � ��� ������ ����� �� �� (����� � ��E���

;;����������������<<� � ����� � ���� � ��� %�����

2������ ������� � ,� ����� ��� #������ +$�$2-�

�� ��������� �������� ���� �!�� ����� %�#������� ���

�������� �� � ������ �����������

*"�" 9-�������� �������

)������� ��� �4� � � ��� � �������� ���� � �� 4

� �� ��������� ����� � �1�� ��� ��� ������� � ������

� ������� �� ��� �������������� ������������� +��

2��� 3 ��� B-� K���� ������ ���������� � ��� ����

���� �� � � .60��� #������ � ���� ���� � �� ������

2��� A� J���� � �� �� �� ��� ������� ����� ��� '()*�

2��� 6� )������� ����� ����� ��� '()* ���� �� "�# �������� 2��� 3� %�# ���� ���� 50 ������ � �� 4� �

A �"�"#" ���-���� ,������ ��� 4�-����� 4 +� 61%%�7 18&

Page 4: Magnetic Sensors for Automotive Applcations

������� %�# ������ ����� ��� �� �� �� �������� �� �

500�� +� ���- �� ��� ���� ����� � �� ���� 600 �� "

�� ��������� � ��� �2�4� ���� +"2�- ����� ��

� �� � ���� �� �������� ���� ��������� ��� ��� ����

�� ����� � � �500���� �������� ���� ��� � ��� ���� �� ����� ����

���� " ������� ����������� � ���� � � (�������

����� ����������� ������� � � � ������������

� ��� �� 2��� /� " ��� �� ���� ����� ��� ����� �����

� � ������� �� ��� ������ � ������� � ������ �������� �

��� �������� 1��� ��� ������� �� ��������� ������ ���

������ � �� � � �������� ���� � ��� ��� ����� �� �� ���

����

*"1" ,��� ������

���� 1�� ���� � ��� ����� ����� �� �� ���� ����

�� ��� ������ ���� ��� ��� ���� ���� ���� � �

������� ���� ��� � �� �� ��� �� � ������ ��������

���� )��� ����� ������� ���� � �� �������� �����

�������� � �� ������������ ����������� ������ �� �������

������ D� ������ � ��� � �������� ����� �� ��������

����� �� � ������ ��������� � �������=���� +���������

�����- ��� � � ���� ��� ������ � ��� ���� ��������

����� +����� �����- � ���������� ����� � ��� �������

� ��� ����� ������ ������� � ���� �������� � �����

��� � �� ����������������� ��������� ���� I��� ��E����� �

��� ��������� ������ J������ � ��� ���� �� �������

�������� 1���� D� ���� � ������ ��� �������� ����� ��� �

����������� � ����������� ���� � ���� �� ��� 1�� "2�

������ ��� ����������������� ����� ��� ��� ������ ������

��� �������������� ������������� � � ��� �����

��� � 2��� � ����������������� ����� � ��� ��

2��� >� ��� 1�� ��� � ��� � ��� �� �� 1��� � � � �

������ � ��� ����� ������ ��� ���� ��� �� ������ 1���

� � � � ������ � ��� ��������� ������ ��� 1��� �������

����� ������ � ��� ��������� ����� �� � � ���� ��������

� � �!������ �� 1���� �!� D� �� �� � ��� �������

�������� � � � ����� � ��� �������� � ��� 1���� ��

���� ��� �� ���� ������������� ��� �� 2��� .0� D� �

������� 1��� ����� ��� �!� ��� ������������� � �����

������� � ��� 1��� �������� ������ ��� ����� ���� ����

���� �� ��� ��� ���� D� ������ � ��� "�#�������� �

���������� ��� ������ ��� � 1��� � ��� �� �� �

�� �� ��� ��� ����� �� � ����� � *30��2� ��������� ����������� ��� ��� ������� ���� � �� �

(������� ����� ����������� �� ���� � ���� �� �����

���� ������ D� ��� ���� �� ���� �� ���� �� �����

�������� � ��� ��������� ����� �� ��� �� ����� ������

�� ���� � ���� � ����� ��� ��� ����� �� � ������

1��� +2��� ..-� ��� �� ��� �������� � � ������

������� � ��� ��� ����� ����� ����� ��� ��������

2��� B� �� 4� � �������� ���� ���� � ������� �� ������� ����

�4� �

2��� /� %�# ����������8 � ��� (������� ����� ���� �� ���

����������� � ��� %�# ����� � ��� ����8 ���� ��� ��� ��

2��� >� ��� �������������� ������������� � � ��� ����� ��� �

2��� � ����������������� ������

�"�"#" ���-���� ,������ ��� 4�-����� 4 +� 61%%�7 18& 6

Page 5: Magnetic Sensors for Automotive Applcations

1��� � ���� ������� � ������ � ���� ��� ���� �����

��� ��� �� ������������ ������� ���� 2��� .5 ��� ���� �

��� ������ ����� ��������� �������� � � ���� ����

��� � �������

2� � ������ ����������� �������� ��������� � ���

��� ����� ���� ���

� �!������ �� � � � ����� �� �� ���� �� �������� ��

��� .60��8� ��� �������� ����� �� �� ��� ��� ��� ������� ���� ���

����� ������ ����� ��� �������� ������ ��� � ���

�������� � ��� ������� �����8

� � �� ��� � �������� ����� ��� ���� �� � ��������

�������� �� � � � 500�� �� � ��� �����

!��������� �� �����������

��� ������ ������ �� ��� ����� ��� ��� � ������

��������� ���� +;;����������<<� ������� ��� ������

���������� � ��� ��������� ���� ��� ��� � � � ��

���� ���� ;;����� ������<< H �������� ������� ���� �

������� �� ��- ���� ������ � ������� � ��� �����

���� ��� � �� �!������� 1��� �� � � ��������

��� ��� � �� ������ �� ��� � � %�# ���������

&������ %�# �������� �� � ������ ���� �!�����

��������� ���� &���� ��� "�#��������� ��������� ���

����� ��������� � � �������� %�# ���� 1�� ���� �����

���� � � �� ����� ����� � ���� �� ���� ���� �!�����

��������� ��� ����� ��� � ��� ��� �� ���� ��� ����

�������� %�# ��� ���� ���� � ���� ��� ���� �� ���

����� ��� ������ �� � �� ��1����� �� ������� � �� ����

����� ���� ����������

����������

9.: ,� L� ���� #� J���=� "� J ����� 2� M�� N� ���!� $�� O�� ���� (���

�� (���������� � O� �� N��������=� � � � ����������� $���

7JD $�������� I�� .566� .B.��� .>>3�

95: K� ��� ��� &� )�������� &� N������ '� �� "���� )��� �� � ����

� ��� "���������� ��� ��������� � ��� )",�����������

J������ K)"� 3?> ����� 5000�

"��������

�"�"#" ���-���� � ���� ����� �� ��� ��������� K�������� � J������

%������ ��� �������� ��� ��J ������ ��� ��� "������ � )������ �

%����� J�������� #�� ��� �� .>/.� &� E��� # ��� $�� %� & ��

)� ������ �� .>/3 ��� �������� ���� ���� ��������� �� ����� ��� ���

�� ���� ���� ���� ���� ��� ��� ��������� �������� )���� .>>3�

J�� ��� ���� �� ��� ���� � J��������� ;;������� ���������<< ������

������� #������ ��� J��������� � $��� ���� ����� � ���������

��� ������� � �������� ��������� �������������� +"�#� %�#- ����

���� ���� �7J ��������� ��� ���� ���� ������ ��������� ������

���� ��� ������

2��� .0� ��� ��� ����� ��������� � ��� ������� � ��� �������� ������

2��� ..� )�������� ��� � � � ����� ����

2��� .5� ������ �����������������=���� � ������ ��������

3 �"�"#" ���-���� ,������ ��� 4�-����� 4 +� 61%%�7 18&