基于磁阻技術(shù)的AMR磁傳感器原理和優(yōu)勢

傳統(tǒng)的磁傳感器利用霍爾效應(yīng)來感測磁場的強(qiáng)度和方向。近年來，隨著磁阻（Magnetic Resistance）技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，無論在消費(fèi)類還是在汽車和工業(yè)類市場上，越來越多的產(chǎn)品開始使用基于磁阻技術(shù)的磁傳感器。

1 AMR磁傳感器的原理和優(yōu)勢

某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時(shí)，其電阻值會(huì)隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)。磁阻技術(shù)主要包括各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）。

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(shí), 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(shí)候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，電阻降低。各向異性磁阻的磁場作用效果如下圖：

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)是由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋，其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個(gè)偏置磁場H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向就會(huì)朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì)增加；

而另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向會(huì)朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出電壓差信號(hào)，可以得到外界磁場值。

基于各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的磁傳感器具有以下優(yōu)勢：

● AMR磁傳感器具有高頻、低噪和高信噪比特性，性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的霍爾傳感器；

● 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，指南針應(yīng)用，測量精確度可達(dá)1度；

● AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上；??

● AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低。

2 世界已知最小尺寸AMR磁傳感器

美新半導(dǎo)體（MEMSIC）最新一代的磁傳感器MMC5603NJ是基于先進(jìn)的AMR技術(shù)的單芯片集成的三軸磁傳感器，晶圓級(jí)封裝, 是世界上迄今已知最小尺寸（0.8x0.8x0.4mm）的磁傳感器。多項(xiàng)美新所獨(dú)有的新技術(shù)和新工藝被應(yīng)用在MMC5603NJ這顆磁傳感器上。

1、高度集成的單芯片設(shè)計(jì)

早期的MEMS磁傳感器需要兩個(gè)MEMS的Die(一個(gè)感測X/Y軸的磁場，另一個(gè)感測Z軸磁場)和一個(gè)用來處理信號(hào)的ASIC的Die。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、且成本高。隨著設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，Die體積越來越小，但一般還是需要一個(gè)MEMS的Die和一個(gè)ASIC的Die。

美新采用專有的技術(shù)，將MEMS技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完美結(jié)合，直接在ASIC材料表面集成了AMR磁阻材料，并采用獨(dú)創(chuàng)的斜坡結(jié)構(gòu)來感測Z軸方向的磁場信號(hào)。這樣高度集成的單芯片設(shè)計(jì)，并采用了晶圓級(jí)的封裝，鑄成了業(yè)界最小尺寸的三軸磁傳感器。

2、數(shù)倍或數(shù)十倍領(lǐng)先于同級(jí)別產(chǎn)品

磁傳感器在電子設(shè)備中最常見的應(yīng)用是感測地球磁場的方向，我們將此應(yīng)用稱為電子羅盤（eCompass）。電子羅盤容易受到周圍環(huán)境中各類的軟磁和（或）硬磁的磁場干擾而造成方向失準(zhǔn)。

對(duì)此，美新在軟件方面提供了成熟的、可定制的算法來校準(zhǔn)方向。然而，當(dāng)干擾磁場非常大的時(shí)候，磁感應(yīng)元件內(nèi)部會(huì)殘留明顯的剩磁，軟件校準(zhǔn)算法對(duì)此無能為力；

MMC5603NJ在芯片設(shè)計(jì)上使用了Auto Set/Reset的機(jī)制。此機(jī)制是在磁感應(yīng)元件的敏感極上進(jìn)行正反兩個(gè)方向上的成對(duì)操作，可以消除磁傳感器內(nèi)部固有的offset，并且抵消時(shí)間、溫度等變化等因素帶來的漂移。

MMC5603NJ的溫漂只有±0.01μT/℃，遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。因此，MMC5603NJ能在各種苛刻的使用環(huán)境下保持始終如一的測量精度和穩(wěn)定可靠的性能。

此外，MMC5603NJ還提供了20/18/16位的可選擇的靈敏度，最高可達(dá)1000Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，RMS噪聲水平最低為0.15μT，磁滯僅為0.02%，使得快速校準(zhǔn)甚至免校準(zhǔn)的電子指南針成為可能...

以上主要性能參數(shù)，與市場上同級(jí)別產(chǎn)品相比較，MMC5603NJ保持?jǐn)?shù)倍或數(shù)十倍的領(lǐng)先。

3 小結(jié)

美新深耕磁傳感技術(shù)多年，在基于AMR技術(shù)的磁傳感器的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面積累深厚,并且還首創(chuàng)將高性能的AMR磁傳感器引入智能手機(jī)市場。

作為全新一代基于AMR技術(shù)的三軸磁傳感器，美新的MMC5603NJ已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦等眾多消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，也是目前全球出貨量最大的基于AMR技術(shù)的磁傳感器之一。

編輯：hfy