757
近日，纳芯微并购传感器企业麦歌恩，引发业界关注，这次并购围绕着一条重量级赛道——磁传感器——或许也是汽车上用到最多的传感器，从踏板到座椅位置，从风扇到油箱液位，都离不开磁传感器。仅霍尔开关一项，在车里可能就有几十颗。
那么磁传感器是什么？顾名思义磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，从而检测电流、位置、方向等物理量的器件。
磁传感器由于其具有灵活，高效，性价比高等特点，广泛用于工业、汽车和电子产品中，如图所示，在IoT应用中，磁传感器占有率为第四。
磁传感器在汽车中的应用（TDK官网）
磁传感器IC分为哪些
实际上，从指南针开始，磁这一技术就被广泛应用于各种场合，在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场，主要分为霍尔传感器和磁阻传感器。
首先是最为普遍的霍尔传感器，Edwin H. Hall于1879年发现的霍尔效应证明了洛伦兹力会产生与电流和磁场方向成直角的电压，该电压称为霍尔电压，电压的大小和方向(正、负)使得检测磁场(N极、S极)的大小和方向成为可能，这就是霍尔传感器的原理。
其次是磁阻效应，相比霍尔，磁阻的发现则更早，1857 年，Lord Kelvin 将一个铁块放在磁场中，注意到铁块的电阻发生了微弱变化，由此发现了磁阻效应。但直到 100 多年后的 1971 年，才由 Hunt 第一次提出了磁阻 (MR) 传感器的概念。Hunt元件的几何结构，具有感应电流I 和磁化矢量 M 的磁阻薄膜，与薄膜平面上的电流形成角度 α，以此确定信号。到了 1991 年，IBM 公司在硬盘驱动器中引入了第一个 MR 头，使用一条磁阻材料来检测数据。
三种MR（AKM官网）
2007年诺贝尔物理学奖授予了GMR效应的发现者：法国物理学家Albert Fert和德国物理学家Peter Grunberg。
磁性传感器还包括了线圈、干簧管等机械结构的产品，但这些结构无法晶圆化、小型化，因此在诸多场合中都逐渐被IC所替代，另外也有电感传感器类似于线圈，不过应用相较霍尔并不普遍。
磁传感器的优势？
霍尔元件的磁灵敏度不如磁阻传感器元件。但作为不依赖于磁性物料的磁传感器，可以在铁磁场或恶劣环境下使用，因此可用作电流传感器或各种磁性开关。霍尔传感器可分为分立式元件或集成IC，其中集成霍尔效应元件的IC可采用标准单片式CMOS工艺，因此可以实现更高性价比和更大的产能。
另外，测试是非接触式方式，因此可以稳定工作数十年，并不会受外部环境影响。相比于分立方案，霍尔IC更为简单，大多数器件的外部只有三个引脚。另外，霍尔传感器可以埋在外壳下，与外接隔离，更加美观且易于设计。
MR的优势则在于功耗更低且性能更强大，但通常更贵。
磁传感器的设计难点
磁传感器往往应权衡考虑灵敏度或带宽、功耗、抗干扰性、温漂、可靠性等多种指标。应根据不同应用场景，选择不同的磁传感器。
带宽和功耗往往需要进行权衡（TI官网）
磁传感器供应商
磁传感器供应商非常之多，比如在Mouser官网上，流行推荐厂商包括了TI、Allegro、霍尼韦尔、Diodes、英飞凌、ams OSRAM、迈来芯、AKM，此外还有包括恩智浦、TDK、博世、ADI、罗姆等诸多公司。国内公司代表则包括了纳芯微、美新半导体、矽睿科技、多维科技、灿瑞科技、赛卓电子、希磁科技、比亚迪半导体等。
磁电流传感器介绍
磁电流传感器分为集成式电流传感器和线性电流传感器。磁感应式电流传感器是通过测定测定对象的电流线周围产生的磁场(磁通密度)来检测电流量的传感器。
根据Bio Savar定律，电流和磁通密度成比例关系，通过利用霍尔元件测定从电流线产生的磁场，就能够正确地测定流过电流线的电流量。
与使用分流电阻直接测定的方法不同，磁传感器是使测定对象的电流线和传感器信号在绝缘状态下检测，因此能够无损失地进行测定，从而不对系统造成影响，且更为简单功耗较低。但具体选择还应根据精度、量程、尺寸、成本、安装难度等进行选择。
如图所示，三种磁传感器检测电流，其中封装内检测显然是最高度集成化的产品。（TI官网）
磁开关
开关/锁存器包括了霍尔及磁阻两类。
锁存传感器和开关传感器器件可以提供磁场强度超出阈值时的数字输出。这对于事件计数、非接触式开关和篡改检测等应用非常有用。
开关式传感器根据检测的磁场分为三种类型：单极、双极和双极（双输出），根据外加磁场的强度来执行开、关动作。
锁存型是判断磁极切换进行输出。锁存器与双极开关类似，它有正极 BOP 和负极 BRP，但却能精确控制开关动作。锁存器要求正负极磁场同时工作。单独的磁体位于强度足够的正极磁场时，会使器件切换至开启状态。当器件开启时，它会锁定状态并保持开启，即使将磁场移开也是如此，直到出现一个强度足够的负极磁场出现，器件会关闭。
霍尔效应传感器并非是用于实现磁性开关的唯一选择。在需要简单的接通和关断或打开和关闭接近检测的应用中，簧片开关是另一种常用的元件。但使用簧片开关的一个主要缺点是，器件的机械性质决定了其使用寿命有限。霍尔效应传感器不像簧片开关那样具有机械触点，并且提供不受机械磨损影响的更可靠的解决方案。
而相比其他有类型的开关，霍尔传感器具有诸多优势。首先没有机械触点，不会产生磨损，使用寿命比机械开关长。其次，与光学开关相比，霍尔IC在有灰尘和污垢堆积的环境下也能进行磁场检测。第三，无论有无磁铁，均可进行非接触式工作，可实现防水设计且维护方便。
各类传感器的优劣势（TI官网）
近年来，锁存型IC还被用于简单的旋转编码器等应用中。使用开关式霍尔IC进行转子检测，根据磁极数的不同，虽然输出的脉冲数与锁存型IC相同，但是占空比相对较差。
增量编码器监控磁体的移动速度或速率以及方向。绝对编码器可以做到这一点，并始终能在高分辨率下确定其确切位置。增量编码器设计人员使用数字输出霍尔效应锁存器时，分辨率取决于系统中磁极的数量。实现更高的分辨率需要更高极数的环形磁体，而随着磁极尺寸变小，磁体产生的磁场本身就会变弱，设计人员需要将传感器放置在更靠近磁体的位置或使用灵敏度更高的传感器。
液位检测可以采用磁开关进行。
常见的磁开关如上所述，4-20mA长量程应用中TMR具有最低功耗，支持最多开关的特性。（TI官网）
对于现代汽车而言，轮速信息是必不可少的，汽车动态控制系统（VDC）、汽车电子稳定程序（ESP）、防抱死制动系统（ABS）、自动变速器的控制系统等都需要轮速信息。所以轮速传感器是现代汽车中最为关键的传感器之一。
一般来说，所有的转速传感器都可以作为轮速传感器，但是考虑到车轮的工作环境以及空间大小等实际因素，常用的轮速传感器主要包括磁电式轮速传感器、霍尔式轮速传感器。
磁电式轮速传感器具有结构简单、成本低、不怕泥污等特点，但是磁电式轮速传感器也有一些缺点，包括频率响应不高以及抗电磁波干扰能力差。
而霍尔式轮速传感器利用霍尔效应原理制成，其输出信号电压振幅值不受转速的影响；频率响应高且抗电磁波干扰能力强。
在传感器中，通常会使用编码器来测量旋转的角度和方向。编码器是一种将位置信息转换为数字信号的设备。它通常由一个旋转式编码器和一个固定式编码器组成。旋转式编码器被安装在旋转轴上，而固定式编码器则固定在底座上。当物体旋转时，旋转式编码器会旋转，而固定式编码器则不变。
旋转式编码器上的编码器盘上有一些光学或磁学编码器条纹，这些编码器条纹在旋转时会被检测到，从而测量物体旋转的角度和方向。
霍尔阵列传感器则是通过正弦与余弦信号与所施加磁场角度成正比的原理，将两极磁铁的角度位置信息通过内部DSP解算，转化成模拟电压，PWM，SPI等各种输出形式。
结语
磁传感器作为连接物理世界与数字世界的桥梁之一，其重要性不言而喻。从汽车到工业再到消费电子行业，随着越来越多的人机交互和自动化的需求，磁传感器在接近、位移、编码、换向、角度等领域正发挥着越来越重要的作用。同时，其高性价比、易安装、易维护的特性，使其越来越受到欢迎。
下载ECAD模型
