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近日，納芯微并購傳感器企業(yè)麥歌恩，引發(fā)業(yè)界關(guān)注，這次并購圍繞著一條重量級賽道——磁傳感器——或許也是汽車上用到最多的傳感器，從踏板到座椅位置，從風(fēng)扇到油箱液位，都離不開磁傳感器。僅霍爾開關(guān)一項，在車里可能就有幾十顆。
那么磁傳感器是什么？顧名思義磁傳感器是把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，從而檢測電流、位置、方向等物理量的器件。
磁傳感器由于其具有靈活，高效，性價比高等特點，廣泛用于工業(yè)、汽車和電子產(chǎn)品中，如圖所示，在IoT應(yīng)用中，磁傳感器占有率為第四。
磁傳感器在汽車中的應(yīng)用（TDK官網(wǎng)）
磁傳感器IC分為哪些
實際上，從指南針開始，磁這一技術(shù)就被廣泛應(yīng)用于各種場合，在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場，主要分為霍爾傳感器和磁阻傳感器。
首先是最為普遍的霍爾傳感器，Edwin H. Hall于1879年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)證明了洛倫茲力會產(chǎn)生與電流和磁場方向成直角的電壓，該電壓稱為霍爾電壓，電壓的大小和方向(正、負)使得檢測磁場(N極、S極)的大小和方向成為可能，這就是霍爾傳感器的原理。
其次是磁阻效應(yīng)，相比霍爾，磁阻的發(fā)現(xiàn)則更早，1857 年，Lord Kelvin 將一個鐵塊放在磁場中，注意到鐵塊的電阻發(fā)生了微弱變化，由此發(fā)現(xiàn)了磁阻效應(yīng)。但直到 100 多年后的 1971 年，才由 Hunt 第一次提出了磁阻 (MR) 傳感器的概念。Hunt元件的幾何結(jié)構(gòu)，具有感應(yīng)電流I 和磁化矢量 M 的磁阻薄膜，與薄膜平面上的電流形成角度 α，以此確定信號。到了 1991 年，IBM 公司在硬盤驅(qū)動器中引入了第一個 MR 頭，使用一條磁阻材料來檢測數(shù)據(jù)。
三種MR（AKM官網(wǎng)）
2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予了GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者：法國物理學(xué)家Albert Fert和德國物理學(xué)家Peter Grunberg。
磁性傳感器還包括了線圈、干簧管等機械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，但這些結(jié)構(gòu)無法晶圓化、小型化，因此在諸多場合中都逐漸被IC所替代，另外也有電感傳感器類似于線圈，不過應(yīng)用相較霍爾并不普遍。
磁傳感器的優(yōu)勢？
霍爾元件的磁靈敏度不如磁阻傳感器元件。但作為不依賴于磁性物料的磁傳感器，可以在鐵磁場或惡劣環(huán)境下使用，因此可用作電流傳感器或各種磁性開關(guān)。霍爾傳感器可分為分立式元件或集成IC，其中集成霍爾效應(yīng)元件的IC可采用標(biāo)準(zhǔn)單片式CMOS工藝，因此可以實現(xiàn)更高性價比和更大的產(chǎn)能。
另外，測試是非接觸式方式，因此可以穩(wěn)定工作數(shù)十年，并不會受外部環(huán)境影響。相比于分立方案，霍爾IC更為簡單，大多數(shù)器件的外部只有三個引腳。另外，霍爾傳感器可以埋在外殼下，與外接隔離，更加美觀且易于設(shè)計。
MR的優(yōu)勢則在于功耗更低且性能更強大，但通常更貴。
磁傳感器的設(shè)計難點
磁傳感器往往應(yīng)權(quán)衡考慮靈敏度或帶寬、功耗、抗干擾性、溫漂、可靠性等多種指標(biāo)。應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用場景，選擇不同的磁傳感器。
帶寬和功耗往往需要進行權(quán)衡（TI官網(wǎng)）
磁傳感器供應(yīng)商
磁傳感器供應(yīng)商非常之多，比如在Mouser官網(wǎng)上，流行推薦廠商包括了TI、Allegro、霍尼韋爾、Diodes、英飛凌、ams OSRAM、邁來芯、AKM，此外還有包括恩智浦、TDK、博世、ADI、羅姆等諸多公司。國內(nèi)公司代表則包括了納芯微、美新半導(dǎo)體、矽?？萍?、多維科技、燦瑞科技、賽卓電子、希磁科技、比亞迪半導(dǎo)體等。
磁電流傳感器介紹
磁電流傳感器分為集成式電流傳感器和線性電流傳感器。磁感應(yīng)式電流傳感器是通過測定測定對象的電流線周圍產(chǎn)生的磁場(磁通密度)來檢測電流量的傳感器。
根據(jù)Bio Savar定律，電流和磁通密度成比例關(guān)系，通過利用霍爾元件測定從電流線產(chǎn)生的磁場，就能夠正確地測定流過電流線的電流量。
與使用分流電阻直接測定的方法不同，磁傳感器是使測定對象的電流線和傳感器信號在絕緣狀態(tài)下檢測，因此能夠無損失地進行測定，從而不對系統(tǒng)造成影響，且更為簡單功耗較低。但具體選擇還應(yīng)根據(jù)精度、量程、尺寸、成本、安裝難度等進行選擇。
如圖所示，三種磁傳感器檢測電流，其中封裝內(nèi)檢測顯然是最高度集成化的產(chǎn)品。（TI官網(wǎng)）
磁開關(guān)
開關(guān)/鎖存器包括了霍爾及磁阻兩類。
鎖存?zhèn)鞲衅骱烷_關(guān)傳感器器件可以提供磁場強度超出閾值時的數(shù)字輸出。這對于事件計數(shù)、非接觸式開關(guān)和篡改檢測等應(yīng)用非常有用。
開關(guān)式傳感器根據(jù)檢測的磁場分為三種類型：單極、雙極和雙極（雙輸出），根據(jù)外加磁場的強度來執(zhí)行開、關(guān)動作。
鎖存型是判斷磁極切換進行輸出。鎖存器與雙極開關(guān)類似，它有正極 BOP 和負極 BRP，但卻能精確控制開關(guān)動作。鎖存器要求正負極磁場同時工作。單獨的磁體位于強度足夠的正極磁場時，會使器件切換至開啟狀態(tài)。當(dāng)器件開啟時，它會鎖定狀態(tài)并保持開啟，即使將磁場移開也是如此，直到出現(xiàn)一個強度足夠的負極磁場出現(xiàn)，器件會關(guān)閉。
霍爾效應(yīng)傳感器并非是用于實現(xiàn)磁性開關(guān)的唯一選擇。在需要簡單的接通和關(guān)斷或打開和關(guān)閉接近檢測的應(yīng)用中，簧片開關(guān)是另一種常用的元件。但使用簧片開關(guān)的一個主要缺點是，器件的機械性質(zhì)決定了其使用壽命有限。霍爾效應(yīng)傳感器不像簧片開關(guān)那樣具有機械觸點，并且提供不受機械磨損影響的更可靠的解決方案。
而相比其他有類型的開關(guān)，霍爾傳感器具有諸多優(yōu)勢。首先沒有機械觸點，不會產(chǎn)生磨損，使用壽命比機械開關(guān)長。其次，與光學(xué)開關(guān)相比，霍爾IC在有灰塵和污垢堆積的環(huán)境下也能進行磁場檢測。第三，無論有無磁鐵，均可進行非接觸式工作，可實現(xiàn)防水設(shè)計且維護方便。
各類傳感器的優(yōu)劣勢（TI官網(wǎng)）
近年來，鎖存型IC還被用于簡單的旋轉(zhuǎn)編碼器等應(yīng)用中。使用開關(guān)式霍爾IC進行轉(zhuǎn)子檢測，根據(jù)磁極數(shù)的不同，雖然輸出的脈沖數(shù)與鎖存型IC相同，但是占空比相對較差。
增量編碼器監(jiān)控磁體的移動速度或速率以及方向。絕對編碼器可以做到這一點，并始終能在高分辨率下確定其確切位置。增量編碼器設(shè)計人員使用數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)鎖存器時，分辨率取決于系統(tǒng)中磁極的數(shù)量。實現(xiàn)更高的分辨率需要更高極數(shù)的環(huán)形磁體，而隨著磁極尺寸變小，磁體產(chǎn)生的磁場本身就會變?nèi)?，設(shè)計人員需要將傳感器放置在更靠近磁體的位置或使用靈敏度更高的傳感器。
液位檢測可以采用磁開關(guān)進行。
常見的磁開關(guān)如上所述，4-20mA長量程應(yīng)用中TMR具有最低功耗，支持最多開關(guān)的特性。（TI官網(wǎng)）
對于現(xiàn)代汽車而言，輪速信息是必不可少的，汽車動態(tài)控制系統(tǒng)（VDC）、汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、自動變速器的控制系統(tǒng)等都需要輪速信息。所以輪速傳感器是現(xiàn)代汽車中最為關(guān)鍵的傳感器之一。
一般來說，所有的轉(zhuǎn)速傳感器都可以作為輪速傳感器，但是考慮到車輪的工作環(huán)境以及空間大小等實際因素，常用的輪速傳感器主要包括磁電式輪速傳感器、霍爾式輪速傳感器。
磁電式輪速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、不怕泥污等特點，但是磁電式輪速傳感器也有一些缺點，包括頻率響應(yīng)不高以及抗電磁波干擾能力差。
而霍爾式輪速傳感器利用霍爾效應(yīng)原理制成，其輸出信號電壓振幅值不受轉(zhuǎn)速的影響；頻率響應(yīng)高且抗電磁波干擾能力強。
在傳感器中，通常會使用編碼器來測量旋轉(zhuǎn)的角度和方向。編碼器是一種將位置信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的設(shè)備。它通常由一個旋轉(zhuǎn)式編碼器和一個固定式編碼器組成。旋轉(zhuǎn)式編碼器被安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，而固定式編碼器則固定在底座上。當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)式編碼器會旋轉(zhuǎn)，而固定式編碼器則不變。
旋轉(zhuǎn)式編碼器上的編碼器盤上有一些光學(xué)或磁學(xué)編碼器條紋，這些編碼器條紋在旋轉(zhuǎn)時會被檢測到，從而測量物體旋轉(zhuǎn)的角度和方向。
霍爾陣列傳感器則是通過正弦與余弦信號與所施加磁場角度成正比的原理，將兩極磁鐵的角度位置信息通過內(nèi)部DSP解算，轉(zhuǎn)化成模擬電壓，PWM，SPI等各種輸出形式。
結(jié)語
磁傳感器作為連接物理世界與數(shù)字世界的橋梁之一，其重要性不言而喻。從汽車到工業(yè)再到消費電子行業(yè)，隨著越來越多的人機交互和自動化的需求，磁傳感器在接近、位移、編碼、換向、角度等領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。同時，其高性價比、易安裝、易維護的特性，使其越來越受到歡迎。
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