Магнитни сензори

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9/2021 • 06.01.2022

  • Сензорите за магнитно поле са незаменим компонент в Internet of Things платформи, дигитални и интелигентни измервателни решения, гъвкави и носими смарт устройства, промишлени роботи, дейта центрове и др.

  • Актуалните тенденции в сегмента са свързани с непрекъсната миниатюризация, функционално усъвършенстване и иновативни експлоатационни принципи, базирани на нови материали и феномени

  • Магнитните сензори от последно поколение се отличават с още по-висока чувствителност, ниска консумация на енергия и компактни корпуси в сравнение с пазарните си предшественици

 

Магнитните сензори намират широко приложение в съвременната индустрия. Те са незаменим компонент в Internet of Things платформи, дигитални и интелигентни измервателни решения, гъвкава електроника, носими смарт устройства, промишлени роботи, навигационно оборудване, електроразпредилителни блокове за сървъри и дейта центрове и т. н. В почти безкрайния им списък с приложения в наши дни попадат ключови аспекти от управлението както на най-високотехнологичните системи, така и на традиционни и комунални инфраструктури – безконтактни измервания, линейно, ъглово и ротационно позициониране, отдалечен мониторинг, облачни изчисления и обработка на големи обеми данни, интелигентен мениджмънт на водни и енергийни ресурси, ВЕИ системи и др.

 

Технологично развитие

Магнитните датчици най-общо могат да бъдат подразделени на два типа – устройства, които измерват векторни компоненти, или такива, които измерват общото магнитно поле. Макар резултатите при всеки отделен сензор да варират, прилаганите техники за създаването им залагат на сходни аспекти от физиката и електрониката. Реално всички магнитни датчици взаимодействат със земното магнитно поле.

В индустриалната практика магнитни сензори се използват за измерване на различни величини като налягане, близост, позиция, разход на флуиди и др. Актуалните тенденции в сегмента са свързани с постепенна миниатюризация, усъвършенстване на функциите и откриване на иновативни експлоатационни принципи, базирани на фундаменталните проучвания на нови материали и феномени. Сред тях са смарт материали и композити в приложения за безжичен мониторинг, управление и безразрушителен контрол, включително придобилите популярност през последните няколко години регулируеми метаматериали (tunable metamaterials).

Сензорите за магнитно поле са ключов елемент от редица традиционни промишлени и биомедицински технологии, но разширяването на приложната им област продължава с динамични темпове в хода на четвъртата индустриална революция. Този технологичен напредък е стимулиран както от нови практически приложения като Internet of Things, така и от иновативни продукти като гъвкавите, разтегливи и носими електронни устройства.

Полупроводниковите магнитни датчици позволяват производство във все по-миниатюрни размери и са подходящи за бъдещо интегриране в нови по-компактни модели биосензори, сензорни мрежи, носими и интелигентни устройства. За целта сензорите за магнитно поле от последно поколение се отличават с още по-висока чувствителност, ниска консумация на енергия и малки корпуси в сравнение с предшествениците си на пазара.

Сред най-популярните технологии, използвани за разработката на магнитни датчици, са индуктивните елементи, свръхпроводящите устройства за квантова интерференция (SQUID), техники, базирани на ефекта на Хол (възникване на напречно ориентирано електрично поле при поставянето на проводник с протичащ по него постоянен ток в магнитно поле), анизотропно магнитосъпротивление (AMR), гигантско магнитосъпротивление (GMR), тунелно магнитосъпротивление (TMR), гигантски магнитоимпеданс (GMI), пиезоелектрични композити, магнитодиоди, магнитотранзистори, оптични влакна, магнитооптични елементи, наситени дросели и др.

Съществуват и магнитни сензори, базирани на микроелектромеханични системи. Основна причина за богатото типово разнообразие при тези устройства е именно наличието на изключително широк кръг от потенциални приложения, свързани с откриването на промени и смущения в магнитно поле като поток, сила и посока и измерване на различни характеристики, включително температура, налягане, светлина, ротация, ъгъл, присъствие, както и някои параметри на електрическия ток. В зависимост от предназначението, магнитните датчици често разполагат със специфични възможности, например за работа при високи температури или високи честоти.

 

Индустриални приложения

Сред най-популярните приложения на магнитните сензори в съвременната промишленост са средствата за индустриална автоматизация и по-конкретно – устройствата за безконтактно измерване на линейна, ъглова и ротационна позиция.

Датчиците за целта най-често са базирани на тунелно магнитосъпротивление (TMR). За разлика от моделите, чийто принцип на работа се основава на ефекта на Хол и които най-общо се характеризират с ниска чувствителност, TMR сензорите са няколко десетки пъти по-чувствителни и се отличават с ниска консумация на енергия и надеждна работа във високотемпературни и високочестотни (в мегахерцовия обхват) приложения. Нуждата от все по-бързи, ефективни и безопасни производствени линии стимулира използването на технологии за измерване на магнитно поле и в устройства като предпазни превключватели и сензори за близост.

Сред набиращите популярност области на модерната индустрия, в които магнитните сензори намират място, са облачните изчисления и обработката на големи обеми данни. В отговор на логичния ръст в търсенето се наблюдава и своеобразен бум в производството на електроразпределителни блокове за инфраструктура в центрове за данни, които се използват като източник на правотоково или променливотоково захранване на сървърите. Магнитните сензори служат за филтриране на мощността към сървъра и интелигентен баланс на натоварването, като позволяват и отдалечен мониторинг.

Значителен скок в приложенията на магнитни сензори в модерната индустрия се регистрира и вследствие на динамичното развитие на промишлената роботика, където откриването на промени в линейната и ъглова позиция (най-често в безконтактен режим) са императив за осъществяването на комплексни движения с помощта на различни типове двигатели и задвижвания и то – с висока точност, прецизност и повторяемост.

Друга ключова приложна област на магнитните сензори е управлението на енергийна и водна инфраструктура посредством интелигентни и безконтактни технологии за измерване на ток, ниво на флуиди, контрол на загубите, мониторинг на статус “отворено/затворено” за врати, клапани и други. Датчиците за магнитно поле са компоненти и от различни по тип и мащаб ВЕИ съоръжения като вятърни турбини и паркове, фотоволтаични панели и масиви. Измерването на ъглова позиция е ключово за оптималното генериране на вятърна енергия, докато акумулаторните комбинатори за соларни системи масово използват безконтактни сензори за ток.

Екологичните практики в индустрията и сградния сектор, стимулиращи потребителите да инвестират в технологии за повишаване на енергийната ефективност и енергоспестяване, също пряко кореспондират с развитието на Internet of Things. Нарастващото търсене на “зелени” решения за интелигентни домове и сгради с цел да се намали въглеродният им отпечатък води до значителен ръст в пазарното предлагане на умни операционни системи и мрежови устройства, смарт платформи за енергиен мениджмънт и ефективно управление на сградни ресурси и други продукти и решения, базирани на IoT свързаност. Обширна технологична област с множество потенциални бъдещи приложения в тази посока е и осветлението – промишлено и сградно. В тази сфера възможностите за отдалечен мониторинг и управление с помощта на смартфони и други преносими устройства позволяват контрол на потреблението на енергия в реално време чрез измерване на величини като ток и напрежение посредством магнитни технологии.

 

Специфики на отделните типове сензори

Датчици на Хол могат да бъдат намерени в широк спектър от решения, като дискови устройства, индикатори за управление на двигатели, устройства за защита на захранването, диафрагми за налягане, разходомери, средства за контрол на амортисьори, безчеткови DC двигатели, ротационни енкодери, детектори за черни метали, сензори за вибрации, тахометри, и т. н. Дигиталните модели на практика функционират като електронни превключватели. Обикновено те са проектирани да бъдат в режим “изключено” при липса на магнитно поле. Когато приложеното магнитно поле надвиши предварително зададена стойност, изходът на цифровия сензор преминава в състояние “включено” без т. нар. “отскачане” при контакт. Един такъв превключвател струва значително по-малко от механичните си аналози и е по-надежден при тежки условия. Често срещани приложения са: детектори за скорост на въртене, импулсни броячи в принтери и моторни задвижвания, сензори за положение на клапани, сензори за джойстик контролери, блокировки за врати, детектори за близост, сензори за положение на лещи, сензори за хартия, датчици за положение на вал и др.

В допълнение, сензорите на Хол все по-широко се проучват и използват в сферата на носимата електроника. Миниатюрните модели се отличават с ниска цена, лесна интеграция и липса на смущения. Тези окуражаващи резултати са обещаващи за редица бъдещи приложения в сегменти като мека роботика, гъвкава електроника и др.

Съпротивлението на определени материали зависи от ъгъла между посоката на приложения ток и намагнитването на самия материал. Това явление се нарича анизотропно магнитосъпротивление (AMR). Феромагнитните метали (Fe и Ni) проявяват по-високо съпротивление, когато са намагнетизирани успоредно на тока, и минимално съпротивление, когато намагнитването е перпендикулярно на тока.
Най-популярните материали за изработка на AMR сензори са т. нар. permalloy сплави от желязо и никел. AMR датчиците имат по-ниска чувствителност от GMR и TMR моделите, но са много по-лесни за производство, предлагат гъвкавост по отношение на формата и устойчивостта на устройството и имат по-добро съотношение сигнал/шум при ниски честоти.

GMR сензорите са привлекателни за множество приложения, тъй като съчетават висока чувствителност и резолюция с ниско съпротивление. Това от своя страна води до намалени нива на шум, по-висока оперативна честота и по-ниска консумация на енергия при един и същи ток. В допълнение, GMR сензорите могат да бъдат побрани в компактни корпуси. Три GMR сензора, корпусирани ортогонално един към друг, се използват например в разработката на триосови магнитометри.
GMR сензорите са ефективно решение за безконтактно измерване на ток, протичащ през проводник, чрез количествено определяне на магнитното поле, индуцирано от тока. Безразрушителната оценка на качеството на метала в различни части на превозни средства и строителни конструкции чрез детекция на вихров ток в присъствието на променливо магнитно поле е друго интересно приложение на GMR датчиците с нарастващ потенциал.

Тунелните магнитосъпротивителни сензори (TMR) се състоят от два феромагнитни слоя, разделени от тунелна бариера и са познати още като магнитни тунелни възли (MTJ). Структурата е подобна на GMR сензора, като проводящият слой е заменен от изолатор. TMR сензорите са по-чувствителни от GMR устройствата, но се характеризират с по-висок шум. Те имат по-високо съпротивление и поради това консумират по-малко енергия от GMR моделите при същото работно напрежение. Освен това TMR сензорите са по-скъпи и трудни за производство заради необходимостта от изключително тънка висококачествена тунелна бариера без отвори.

Гигантските магнитоимпедансни сензори са единствените магнитни датчици, базирани на променлив ток, които работят в широк диапазон от честоти (от kHz до GHz), осигурявайки голяма промяна на импеданса под приложеното магнитно поле. Поради тази причина GMI сензорите широко се проучват и интегрират в радиочестотни системи като пасивни безжични магнитни устройства.

По отношение на обхвата на откриваемото поле, GMI сензорите покриват широк спектър от магнитни полета (от геомагнитни до биомагнитни), значително по-чувствителни са от датчиците на Хол и се доказват като по-усъвършенствани решения от MR сензорите (GMR, TMR). Що се отнася до габаритите на сензора, GMI елементите обикновено са с размери от под милиметър до няколко милиметра. Това ги прави доста по-големи от микрометричните магнитосъпротивителни датчици, но не създава особена разлика при стандартни SMD устройства за повърхностен монтаж в повечето потребителски електронни приложения.

За работни сценарии, в които високата чувствителност е приоритет, свръхпроводящите квантови интерференционни устройства (SQUID) са сред предпочитаните решения. Сензорите с индукционна намотка обикновено са обемисти и здрави и намират широко приложение в индустриални сензорни системи. При тях обаче миниатюризацията се оказва сериозно предизвикателство поради множеството трудности във връзка с производството на 3D бобини и лошите експлоатационни резултати на планарните намотки в сравнение с телените им аналози.

Особеност на SQUID сензорите е, че изискват охлаждане до ниски температури. Дори след появата на високотемпературните свръхпроводници, тези датчици изискват високи разходи и сложни техники за производство, а на миниатюризация подлежат само някои техни компоненти.
Твърдотелните GMR, TMR, AMR и GMI сензори и датчиците на Хол се изработват посредством т. нар. микропроизводствени методи и комбинират сравнително висока чувствителност с компактни размери. Съвместимостта на твърдотелните елементи с производствените процеси при допълнителните метални оксидни полупроводници (CMOS) прави възможна интеграцията на сензорни и изчислителни схеми в системи върху чип, които стават все по-популярни в индустриални и потребителски Internet of Things приложения.

Понастоящем магнитосъпротивителните (MR) сензори и датчиците на Хол съставят около 98% от глобалния пазар на магнитни сензорни технологии, показват актуалните статистики. MR-базираните продукти се очаква и в идните години да доминират в сферата на биомедицината, гъвкавата електроника, измерването на позиция, взаимодействието “човек-компютър”, безразрушителния контрол и мониторинг, навигацията и транспорта благодарение на значителния технологичен напредък в сегмента и усъвършенстваните им работни характеристики.

 

Пазар и прогнозни тенденции

Към днешна дата всички сензорни методи, използвани за магнитни измервания, са достигнали етап на технологична зрялост. Новите материали и напредъкът в сферата на електронните компоненти осигуряват непрекъснати подобрения в работните характеристики, размера и консумацията на енергия.
Търсенето на устройства с по-висока чувствителност за промишлени приложения най-вероятно ще доведе до частична бъдеща замяна на доминиращите в сегмента датчици с ефект на Хол със сензори от типа GMR или TMR, които от своя страна предстои да станат по-достъпни в ценови аспект, сочат прогнозите на пазарните анализатори.

Повишаването на производителността при печатните технологии, особено по отношение на разделителната способност, е обещаваща тенденция, която се очаква да стимулира множество иновации в сферата на производството и интеграцията на магнитни сензори в бъдеще. Разработката на нови материали и структури при устройствата пък със сигурност ще изтласка магнитните сензори към нова маркетингова парадигма, включваща масови приложения в потребителски и промишлени IoT платформи, навигационни устройства, технологии за сградна и домашна автоматизация, сензори за присъствие, медицински устройства и автомобилни системи и компоненти.

По данни на анализаторите от Mordor Intelligence, глобалният пазар на магнитни сензори се оценява на близо 2,38 млрд. щатски долара през 2020 г. и се очаква да надхвърли 3,59 млрд. долара в следващите пет години, регистрирайки комбиниран годишен темп на растеж от 6,51%. Наред с експоненциалния скок в търсенето на решения в сферата на IoТ и Big Data технологиите, облачните изчисления, центровете за данни и нормативните стимули в сферата на ВЕИ енергетиката, други двигатели на пазарния ръст при магнитните датчици са електромобилността, гъвкавата и носимата електроника и високочувствителните сензорни устройства за роботизирани и Industry 4.0 приложения.

Бумът в използването на хибридни автомобили и електрически превозни средства води и до закономерен допълнителен ръст в търсенето на магнитни сензори за приложения в сферата на мобилността. Автомобилната индустрия традиционно се откроява като водещ клиентски отрасъл както в статистиките от последните няколко години, така и в прогнозите за следващото десетилетие, добавят пазарните експерти. Широкият спектър от приложения в този сектор включва производството на интелигентни автомобилни компоненти, платформи за управление на горивния процес, средства за навигация, предпазно оборудване и различни електронни системи за сигурност, управление и развлечение в автомобилите.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top