揭秘MEMS磁传感器：分类、应用和行业巨头

磁传感器的工作原理是通过将磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电压或电流信息。其主要用于感测速度、运动和方向。由于传感器的内部运行和外部组件不需要实际接触，因此，磁传感器成为汽车和工业环境中降低环境污染的理想之选，同时它还能够减少因组件之间的摩擦而产生的磨损，从而降低设备的维护成本。

图1-磁传感器示意图

按照技术进步发展，磁传感器可以划分为：霍尔效应（HallEffect）传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和隧道磁阻（TMR）传感器等。

其原理为半导体产生的霍尔效应。其能够可靠地在各种电磁环境中运行。常见的应用包括油量表，主要用于检测油箱中的浮子，同时它也可用于无刷电机，检测转子位置并对电流进行计时。当磁传感器与其他电路集成时，制造过程无须特殊材料或进行特殊处理，有助于降低设计成本。

霍尔效应传感器可细分为包括霍尔线性传感器、霍尔开关和磁传感器三种：

• 霍尔线性器件具有很宽的磁场量测范围，并能识别磁极；

• 霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高，工作温度范围宽，可达-55℃～150℃；

• 磁传感器对磁场变化非常敏感，它能够检测到磁场中非常细微的变化。

图2-霍尔传感器示意图

其原理为某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化而产生的磁阻效应。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时,电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的，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，薄膜电阻降低，这种特性称为各向异性磁电阻效应。通过构建惠斯通电桥并测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的弱磁场测量。其特点为：

• 磁场范围是以地球磁场为中心，对于以地球磁场作为基本操作空间的传感器应用来说，具有广大的运作空间，无须像霍耳元件那样增加聚磁等辅助手段；

• 具有只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，不需要昂贵的制造设备，具有成本优势；

• 各向异性磁阻（AMR）技术是唯一被验证，可以达到在地球磁场中测量方向精确度为一度的半导体工艺技术；

• 具有高频、低噪和高信噪比特性，在各种应用中尚无局限性。

其原理为铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属构成的多层膜，在低温下发生的非常显著的电阻变化。区别于常规磁电阻呈各向异性磁阻，GMR磁阻呈各向同性，与磁化强度和电流的相对取向基本无关。具有GMR效应的材料主要有多层膜、颗粒膜、纳米颗粒合金薄膜、磁性隧道结合氧化物、超巨磁电阻薄膜等五种材料。

GMR磁阻传感器商业化时间晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器，制造工艺相对复杂，生产成本也较高。但其具有灵敏度高、能探测到弱磁场且信号好，温度对器件性能影响小等优点，因此市场占有率呈稳定状态。GMR磁阻传感器在消费电子、工业、国防军事及医疗生物方面均有所涉及。

其原理为利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应产生的隧道磁阻效应。根据量子力学，当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。可以得出，隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁化方向发生变化时，隧穿电阻发生变化，因此称为隧道磁电阻效应。

TMR传感器具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，相对于霍尔元件不需要额外的聚磁环结构，相对于AMR元件不需要额外的set/reset线圈结构。

磁传感器无所不在、尺寸小巧且价格合理，可以轻松地和其他电路一同集成到芯片上，因此，磁传感器被人们广泛用于各种应用。应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等，其主要应用领域如下表所示。

表-磁传感器应用领域

• 日本AKM

全球最大的磁传感器供应商之一。AKM在生产商品类霍尔元件和集成电路方面享有巨大的规模经济优势，几乎无人能敌，而高价的电子罗盘则帮助该公司获得营业收入第一的排名。这类罗盘用于多种产品之中，如手机、平板电脑、数码相机、个人导航设备等领域。AKM的3轴电子罗盘占其整体磁传感器营业收入的三分之一以上，其余三分之二来自面向消费电子产品与电器的低成本开关和传感器，在这方面AKM在全球拥有无可置疑的主导地位。

• 美国Allegro Micro-systems

全球最大的磁传感器供应商之一。该公司是设计和制造霍尔效应集成电路的领先企业，也是最主要的汽车磁传感器供应商。凭借独特的硅制造工艺，Allegro将霍尔效应传感器元件和信号处理电路集成到单片硅设备中，以获得高精度的磁通密度测量传感器，其线性位置和角度霍尔效应传感器IC广泛用于汽车、工业、家用电器和消费市场。

• 德国英飞凌

全球最大的磁传感器供应商之一，是最大的轮速传感器供应商。该公司在集成巨型磁阻传感器元件与专用集成电路(ASIC)方面也处于前列。2018年英飞凌科技推出首款采用TMR技术的磁传感器，成为世界首家能够以完整四种磁技术(HALL、GMR、AMR及TMR)提供磁传感器的传感器制造商。

• 瑞士TDK Micronas

全球最大的线性霍尔传感器供应商，也是全球最受欢迎的汽车和工业领域的智能芯片系统方案提供商之一。Micronas的产品组合很宽，多数面向汽车应用，但也越来越重视工业传感器。Micronas一直在开发3D霍尔技术，3D霍尔传感器扩展了现有霍尔传感器的空间分辨率，可与性能较高的磁阻磁传感器抗衡。

• 比利时Melexis

全球排名前五的磁传感器供应商，专注于汽车应用，提供众多传感器IC、ASSP和SAIC，最近在中国汽车市场获是可观的份额。该公司是油门踏板传感器的头号供应商，地位无人能敌。在这个领域，Melexis的霍尔传感器和3D霍尔传感器用于电子油门控制系统。

• 日本ROHM

Kionix的母公司，2016 年TDK将自身突出的磁传感器能力，与Kionix加速度传感器能力结合，推出了加速传感器+地磁传感器组成的6轴KMX62组合传感器，其拥有高性能MI（Magnetic Impedance）磁传感器、16位分辨率、384字节FIFO I2C通信方式，可应用于可穿戴设备、物联网、以及电子罗盘等。

• 德国Sensitec

磁传感器技术的全球领导者之一，生产面向工业和汽车系列应用的磁阻效应式传感器。该公司同时掌握了工业上使用的三种技术异向磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）知识，2012美国“好奇号”火星探测车应用了Sensitec的磁阻传感器成功在火星着陆。Sensitec磁阻传感器主要应用领域包括汽车行业的ABS或转向角传感器、自动化行业优化、普通航空应用、空间应用、医疗技术等。

• 日本YAMAHA

GMR磁传感器的主要生产厂商之一。GMR磁传感器在消费电子领域的主要应用是智能手机的电子罗盘，YAMAHA的GMR磁传感器和AKM的霍尔磁传感器占据了该应用市场的80%份额。

• 张家港多维科技

国际领先、国内唯一TMR磁传感器量产供应商。该公司拥有世界先进的TMR传感器量产晶圆产线和针对TMR磁传感器的设计、生产和应用的强大知识产权组合，拥有超过160项TMR传感器的发明和应用专利。该公司产品平台包括开关、线性、角度和齿轮传感器，已成功开发出低功耗开关、金融磁头、电子罗盘和Z轴传感器等核心产品。

• 无锡美新

专注于从事制造、研发和销售MEMS和模拟、混合信号集成电路及应用系统的半导体企业。美新公司磁传感器集成单芯片三轴AMR磁传感器与信号处理电路于超小型的BGA封装中，器件突破了原有AMR磁传感器技术的壁垒。该产品拥有广泛的市场和应用，包括航空电子设备、医疗设备、高精度工业设备、汽车安全模块、移动电话和消费类电子等领域。