美新半導(dǎo)體專家?guī)炊卮艂鞲屑夹g(shù)

作者為美新半導(dǎo)體（MEMSIC）技術(shù)專家。本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)。近20年傳感器芯片領(lǐng)域研發(fā)和管理經(jīng)驗，主導(dǎo)了單片三軸加速度計，單片三軸地磁傳感器設(shè)計。在傳感器領(lǐng)域擁有四十多項發(fā)明專利。

磁傳感器是將由磁場、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光等引起的磁特性變化，轉(zhuǎn)換成電信號進行檢測的裝置。磁傳感器主要用于感測方向、角度、位置和速度等，廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車和工業(yè)領(lǐng)域。

根據(jù)麥姆斯咨詢提供的數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球磁傳感器市場規(guī)模約為22.8億美元，預(yù)計2020年~2025年期間的復(fù)合年增長率（CAGR）可達6.5%，市場規(guī)模到2025年將增長至32.5億美元。

目前，可用于檢測地磁場分布變化的主流技術(shù)包括霍爾效應(yīng)（Hall）、各向異性磁阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）、隧穿磁阻效應(yīng)（TMR）四種：

1、各向異性磁阻（AMR）

各向異性磁電阻（AMR）效應(yīng)是指當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻不隨外加磁場變化而發(fā)生改變；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，電阻降低。

電阻隨磁化方向和電流之間的夾角變化：

通過惠斯通電橋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輸出電壓隨外加磁場變化：

通過Set/Reset可以改變磁性薄膜條(上圖中綠色條)磁化方向向左或者向右, 由此可以翻轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度的正負, 零點漂移不會被翻轉(zhuǎn)。

Set時輸出: 總輸出=零點偏差+靈敏度*外場；Reset時輸出: 總輸出=零點偏差-靈敏度*外場；由此可以實時消除零點漂移。

AMR磁傳感器具有高頻、低噪和高信噪比特性，性能遠高于傳統(tǒng)的霍爾傳感；由于AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，穩(wěn)定性、可靠性高。AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上；AMR磁傳感器在地球磁場范圍內(nèi)性能優(yōu)良，且不隨溫度變化，測量精確度可達1度。

2、霍爾效應(yīng)

當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場中時，在其兩側(cè)將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。

通過通量集中器，置于多組霍爾傳感器上的圓盤，實現(xiàn)XY方向磁場檢測，但也帶來零點易受干擾的問題。

霍爾效應(yīng)傳感器有許多優(yōu)勢，例如可以非接觸監(jiān)測、測量范圍廣、響應(yīng)速度快，但同時也存在著一些弊端，例如霍爾傳感器的輸出并沒有差分處理，因此offset一直在持續(xù)變化，另外，霍爾傳感器的聚磁環(huán)（concentrator）會引入巨大的噪聲；為了獲得較高精度的磁場測量，在霍爾傳感器使用時還必須進行溫度補償。

并且，霍爾傳感器只能測量Z軸方向磁場，需要加額外的通量集中器結(jié)構(gòu)才能測量XY平面內(nèi)信號，由此會帶來巨大的磁滯。

3、巨磁電阻（GMR）

1988年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。

同時，法國科學(xué)家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。

巨磁電阻（GMR），兩層磁性材料間的導(dǎo)體電阻隨上下層磁性材料磁化方向夾角變化。GMR磁傳感器具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優(yōu)點，但其制造工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本也較高，同時商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，目前其市占率較小。

GMR傳感器使用永磁材料來檢測磁場，因此，它不得暫時受干擾或受到大磁場的永久影響，否則可能會永久損壞傳感器；另外，磁場的感應(yīng)是由于材料不同層中的磁化方向引起的，因此分辨率和重復(fù)性很差。

4、隧穿磁阻效應(yīng)（TMR）

隧穿磁阻效應(yīng)（TMR）是指在鐵磁-絕緣體薄膜-鐵磁材料中，其隧穿電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應(yīng)。兩層磁性材料間絕緣層的隧穿電流隨上下層磁性材料磁化方向夾角變化。

TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁電阻變化的原理，因此可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測算外磁場的變化。實際的TMR磁阻傳感器的制作遠比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)雜?；窘Y(jié)構(gòu)除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)外，還在上下增加頂電極層（upper contact）和底電極層（lower contact），兩層電極直接與相近的磁層接觸。底電極層位于絕緣基片（Insulating）上方，絕緣基片要比底電極層要寬，且位于襯底（Substrate）的上方。

TMR效應(yīng)具有磁電阻效應(yīng)大、磁場靈敏度高等優(yōu)勢，但也存在著一些缺點，例如被大磁場干擾后零點漂移大，以及制作成本高。

5、AMR 、GMR、Hall實測對比

噪聲對比，Hall最大，最小是AMR：

動態(tài)范圍，AMR可以達到30G：

磁滯，AMR是最小的：

溫漂，AMR比Hall小10倍：

早在2006年，美新已經(jīng)首創(chuàng)將高性能的AMR磁傳感器引入智能手機市場，截止到2019年，美新的磁傳感器累計出貨9億顆。

目前，美新還開發(fā)了超高性能的AMR地磁傳感器MMC5883, 適用于無人機、自動駕駛、工業(yè)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）的圓片級封裝產(chǎn)品MMC5603，適用于智能手機, 可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。

關(guān)于美新

美新半導(dǎo)體（MEMSIC）是全球領(lǐng)先的MEMS和傳感技術(shù)解決方案供應(yīng)商，美新的技術(shù)使現(xiàn)實世界和數(shù)字世界相聯(lián)接，并通過感知物理世界的位移和運動變化，為人們提供更加智能、可靠和安全的科技體驗。

美新于1999年成立, 目前總部位于中國天津，在美國芝加哥和中國無錫、上海、深圳、臺北設(shè)有研發(fā)機構(gòu)，在中國無錫擁有制造和封測工廠，銷售網(wǎng)絡(luò)遍及亞太，美洲，歐洲，非洲和中東等地區(qū)。

美新作為少數(shù)實現(xiàn)高端MEMS器件及系統(tǒng)產(chǎn)品大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的公司之一，已在MEMS傳感器領(lǐng)域積累了深厚的技術(shù)和經(jīng)驗，并致力于在霍爾傳感器等領(lǐng)域不斷擴充和豐富產(chǎn)品線，為客戶提供更豐富的MEMS產(chǎn)品、優(yōu)化的解決方案、應(yīng)用支持以及創(chuàng)新的算法應(yīng)用。