美新半导体专家带您看懂地磁传感技术

MEMS MEMS 2020-05-27

文/蒋乐跃


作者简介:蒋乐跃先生,现为美新半导体(MEMSIC)技术专家。本科毕业于北京大学物理学。近20年传感器芯片领域研发和管理经验,主导了单片三轴加速度计,单片三轴地磁传感器设计。在传感器领域拥有四十多项发明专利。

磁传感器是将由磁场、应力、应变、温度、光等引起的磁特性变化,转换成电信号进行检测的装置。磁传感器主要用于感测方向、角度、位置和速度等,广泛应用于消费电子、汽车和工业领域。

根据麦姆斯咨询提供的数据显示,2019年,全球磁传感器市场规模约为22.8亿美元,预计2020年~2025年期间的复合年增长率(CAGR)可达6.5%,市场规模到2025年将增长至32.5亿美元。

目前,可用于检测地磁场分布变化的主流技术包括霍尔效应(Hall)、各向异性磁阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧穿磁阻效应(TMR)四种:



1、各向异性磁阻(AMR)

各向异性磁电阻(AMR)效应是指当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻不随外加磁场变化而发生改变;但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移,电阻降低。

电阻随磁化方向和电流之间的夹角变化:


通过惠斯通电桥结构实现输出电压随外加磁场变化:



通过Set/Reset可以改变磁性薄膜条(上图中绿色条)磁化方向向左或者向右, 由此可以翻转传感器的灵敏度的正负, 零点漂移不会被翻转。

Set时输出: 总输出=零点偏差+灵敏度*外场;Reset时输出: 总输出=零点偏差-灵敏度*外场;由此可以实时消除零点漂移。

AMR磁传感器具有高频、低噪和高信噪比特性,性能远高于传统的霍尔传感;由于AMR技术只需一层磁性薄膜,稳定性、可靠性高。AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上;AMR磁传感器在地球磁场范围内性能优良,且不随温度变化,测量精确度可达1度。

2、霍尔效应

当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时,在其两侧将产生电位差,这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。


通过通量集中器,置于多组霍尔传感器上的圆盘,实现XY方向磁场检测,但也带来零点易受干扰的问题。



霍尔效应传感器有许多优势,例如可以非接触监测、测量范围广、响应速度快,但同时也存在着一些弊端,例如霍尔传感器的输出并没有差分处理,因此offset一直在持续变化,另外,霍尔传感器的聚磁环(concentrator)会引入巨大的噪声;为了获得较高精度的磁场测量,在霍尔传感器使用时还必须进行温度补偿。

并且,霍尔传感器只能测量Z轴方向磁场,需要加额外的通量集中器结构才能测量XY平面内信号,由此会带来巨大的磁滞。

3、巨磁电阻(GMR)

1988年,德国科学家格林贝格尔发现了一种特殊现象:非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。

同时,法国科学家费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现,微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化,其变化的幅度比通常高十几倍。费尔和格林贝格尔也因发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。



巨磁电阻(GMR),两层磁性材料间的导体电阻随上下层磁性材料磁化方向夹角变化。GMR磁传感器具有灵敏度高、能探测到弱磁场且信号好,温度对器件性能影响小等优点,但其制造工艺相对复杂,生产成本也较高,同时商业化时间晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器,目前其市占率较小。

GMR传感器使用永磁材料来检测磁场,因此,它不得暂时受干扰或受到大磁场的永久影响,否则可能会永久损坏传感器;另外,磁场的感应是由于材料不同层中的磁化方向引起的,因此分辨率和重复性很差。

4、隧穿磁阻效应(TMR)

隧穿磁阻效应(TMR)是指在铁磁-绝缘体薄膜-铁磁材料中,其隧穿电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。两层磁性材料间绝缘层的隧穿电流随上下层磁性材料磁化方向夹角变化。

TMR磁传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理,因此可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。基本结构除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构外,还在上下增加顶电极层(upper contact)和底电极层(lower contact),两层电极直接与相近的磁层接触。底电极层位于绝缘基片(Insulating)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于衬底(Substrate)的上方。



TMR效应具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等优势,但也存在着一些缺点,例如被大磁场干扰后零点漂移大,以及制作成本高。

5、AMR 、GMR、Hall实测对比

噪声对比,Hall最大,最小是AMR:


动态范围,AMR可以达到30G:



磁滞,AMR是最小的:



温漂,AMR比Hall小10倍:



早在2006年,美新已经首创将高性能的AMR磁传感器引入智能手机市场,截止到2019年,美新的磁传感器累计出货9亿颗。

目前,美新还开发了超高性能的AMR地磁传感器MMC5883, 适用于无人机、自动驾驶、工业控制等需求,也推出了世界上迄今已知最小尺寸(0.8 mm x 0.8 mm x 0.4 mm)的圆片级封装产品MMC5603,适用于智能手机, 可穿戴设备等应用。

关于美新

美新半导体(MEMSIC)是全球领先的MEMS和传感技术解决方案供应商,美新的技术使现实世界和数字世界相联接,并通过感知物理世界的位移和运动变化,为人们提供更加智能、可靠和安全的科技体验。

美新于1999年成立, 目前总部位于中国天津,在美国芝加哥和中国无锡、上海、深圳、台北设有研发机构,在中国无锡拥有制造和封测工厂,销售网络遍及亚太,美洲,欧洲,非洲和中东等地区。


美新作为少数实现高端MEMS器件及系统产品大规模产业化生产的公司之一,已在MEMS传感器领域积累了深厚的技术和经验,并致力于在霍尔传感器等领域不断扩充和丰富产品线,为客户提供更丰富的MEMS产品、优化的解决方案、应用支持以及创新的算法应用。




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