摘要

從冰箱門(mén)報(bào)警器到汽車(chē)轉(zhuǎn)速測(cè)量，從手機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)屏幕到電子羅盤(pán)，磁傳感器已深度融入現(xiàn)代生活。其技術(shù)體系覆蓋了從實(shí)現(xiàn)“有無(wú)”判斷的開(kāi)關(guān)器件，到精確測(cè)量“強(qiáng)弱與方向”的線性傳感器，以及集成信號(hào)處理功能的智能芯片等不同形態(tài)。本文將系統(tǒng)梳理磁傳感器的主要技術(shù)類(lèi)別與原理，旨在闡明不同技術(shù)路徑的性能特征及其適用場(chǎng)景，為磁傳感器的理解與選型提供參考。

1 磁傳感器技術(shù)類(lèi)別

磁性傳感器是用于探測(cè)磁鐵、電流磁場(chǎng)或地磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向的裝置。該技術(shù)從傳統(tǒng)的分立器件到高度集成的系統(tǒng)級(jí)芯片，各自服務(wù)于不同的性能要求與應(yīng)用領(lǐng)域。

分立式磁傳感器如感應(yīng)線圈、干簧管和電感式傳感器，通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，主要用于磁場(chǎng)的開(kāi)關(guān)檢測(cè)或特定頻率下的感應(yīng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)的是“感知有無(wú)”，常見(jiàn)于門(mén)窗開(kāi)關(guān)、接近檢測(cè)等基礎(chǔ)控制與安全場(chǎng)景，其核心需求是高可靠性與低成本。

芯片化磁傳感器則基于半導(dǎo)體工藝，實(shí)現(xiàn)了傳感單元的微型化與標(biāo)準(zhǔn)化。其中，單磁頭級(jí)器件（如霍爾元件、AMR/GMR/TMR元件）輸出原始模擬信號(hào)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了高靈活性，適用于對(duì)靈敏度、帶寬或環(huán)境適應(yīng)性有特殊要求的場(chǎng)合，例如高性能電流傳感、精密儀器或定制化工業(yè)系統(tǒng)。而系統(tǒng)級(jí)芯片（如各類(lèi)霍爾IC、磁阻IC）則在單磁頭基礎(chǔ)上集成了信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換乃至內(nèi)嵌算法，能直接輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、線性化的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或數(shù)字量。這類(lèi)器件實(shí)現(xiàn)了“感知強(qiáng)弱與方向”，具備非接觸、高精度、低功耗與易集成的優(yōu)勢(shì)，其核心價(jià)值在于提供完整、可靠且易于使用的解決方案，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子（如角度與位置檢測(cè)）、工業(yè)控制（如伺服編碼器）、消費(fèi)電子（如智能設(shè)備姿態(tài)感知）以及需要高精度、多軸測(cè)量與智能融合的前沿領(lǐng)域（如無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、醫(yī)療診斷設(shè)備）。至此，磁傳感器芯片可被定義為：一種基于特定物理效應(yīng)，采用半導(dǎo)體工藝制造，能夠?qū)⒋艌?chǎng)參數(shù)（強(qiáng)度、方向、梯度）轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化電信號(hào)的集成電路。

由圖1可知，磁傳感器不同的技術(shù)形態(tài)并非簡(jiǎn)單的替代關(guān)系，而是構(gòu)成了一個(gè)滿足從基礎(chǔ)檢測(cè)到高端測(cè)量全譜系需求的完整技術(shù)生態(tài)。下文著重描述“芯片化磁傳感器”的相關(guān)技術(shù)信息。

2 按照物理效應(yīng)劃分

2.1 霍爾效應(yīng)傳感器[1]

磁傳感器中，利用霍爾效應(yīng)制成的傳感器被稱(chēng)為霍爾傳感器[1]?；魻栃?yīng)是指，在載流半導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，垂直于電流和磁感線的方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電勢(shì)差。霍爾傳感器分為：①利用霍爾效應(yīng)獲得的霍爾電勢(shì)直接作為輸出的霍爾元件；②霍爾元件輸出通過(guò)后段IC處理后輸出高低電平數(shù)字信號(hào)的開(kāi)關(guān)霍爾IC；③霍爾元件輸出通過(guò)運(yùn)放后成線性輸出的線性霍爾IC。

2.1.1 霍爾元件

霍爾元件是一種基礎(chǔ)、通用的磁敏元件。在常見(jiàn)的使用環(huán)境下，其輸出為幾十毫伏的模擬電壓信號(hào)，后續(xù)電路的設(shè)計(jì)可靈活地將此信號(hào)處理為數(shù)字或模擬形式。其輸出電壓與垂直于敏感區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，如圖2中藍(lán)色虛線所示。通過(guò)輸出電壓 VH的正負(fù)可以反映磁場(chǎng)方向（輸出正電壓→電壓高于零點(diǎn)→正方向磁場(chǎng)，N極朝向傳感器；反之，輸出負(fù)電壓→電壓低于零點(diǎn)→負(fù)方向磁場(chǎng)，S極朝向傳感器）。理想情 況下，若無(wú)垂直磁場(chǎng)施加，輸出電壓為0。但實(shí)際上即使無(wú)磁場(chǎng)作用，輸出端也存在一個(gè)非零的偏置 電壓Voffset，如圖 2藍(lán)色實(shí)線所示，這是設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)中需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.2 開(kāi)關(guān)霍爾IC

開(kāi)關(guān)霍爾IC是一種將霍爾元件與信號(hào)調(diào)理IC集成的數(shù)字式磁傳感器。其工作原理是內(nèi)部比較器將霍爾電壓與預(yù)設(shè)閾值比較，將連續(xù)的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為由電源電壓決定的高/低電平，從而驅(qū)動(dòng)數(shù) 字輸出。為確保開(kāi)關(guān)動(dòng)作穩(wěn)定需創(chuàng)建一個(gè)“遲滯區(qū)”，如圖3所示，其動(dòng)作點(diǎn)（Bop）與釋放點(diǎn)（Brp） 滿足Brp< Bop的關(guān)系，從而有效防止了在臨界磁場(chǎng)附近輸出信號(hào)出現(xiàn)快速、反復(fù)的抖動(dòng)。

2.1.3 線性霍爾IC

線性霍爾IC是一種模擬輸出的集成磁傳感器。它在霍爾元件后級(jí)集成了高增益放大器，能輸出一個(gè)與磁場(chǎng)強(qiáng)度線性相關(guān)且經(jīng)過(guò)放大的電壓信號(hào)，輸出范圍由電源電壓VCC決定。輸出特性曲線如圖4所示，靜態(tài)零點(diǎn)通常設(shè)置在電源電壓的一半，使得輸出能?chē)@此中點(diǎn)，根據(jù)磁場(chǎng)方向在0V至VCC的滿幅范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)方向辨別（磁場(chǎng)方向辨別方法與霍爾元件類(lèi)似）。若采用軌對(duì)軌輸出架構(gòu)，可最大限度地利用電源電壓的動(dòng)態(tài)范圍，提高信噪比和分辨率。

2.2 磁阻效應(yīng)傳感器

磁阻效應(yīng)傳感器是一種基于磁阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件，其核心原理是材料的電阻值會(huì)隨外部磁場(chǎng)的變化而改變。與霍爾效應(yīng)不同，它通常對(duì)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度更為敏感，能提供更高的靈敏度，已成為高精度磁場(chǎng)測(cè)量的主流技術(shù)方案。

需要提到的是，半導(dǎo)體磁阻傳感器 (SMR, Semiconductor Magneto Resistive) 是磁阻效應(yīng)的一種 早期形式，其實(shí)現(xiàn)原理是由洛倫茲力而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，區(qū)別于金屬磁性薄膜磁阻效應(yīng)。根據(jù)物理機(jī)理 與材料結(jié)構(gòu)的不同，現(xiàn)代磁阻傳感器（基于金屬磁性薄膜）主要分為以下三種代表性類(lèi)型：各向異性磁阻 (AMR, Anisotropic Magneto Resistive)、 巨磁阻 (GMR, Giant Magneto Resistive) 和隧道磁阻 (TMR, Tunnel Magneto Resistive)。

2.2.1 AMR 傳感器

AMR傳感器電阻變化依賴(lài)于鐵磁材料內(nèi)部磁化方向與流過(guò)它的電流方向之間的夾角。當(dāng)磁化方向與電流平行時(shí)，電阻最大；垂直時(shí)，電阻最小。這種電阻率隨方向變化的特性稱(chēng)為“各向異性”。AMR傳感器靈敏度高于霍爾效應(yīng)幾十倍，且飽和磁場(chǎng)較小，適合于低磁場(chǎng)范圍高靈敏度線性磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度大于一定閾值時(shí)，AMR電阻進(jìn)入飽和磁場(chǎng)狀態(tài)，此時(shí)AMR電阻變化率不隨磁場(chǎng)強(qiáng)度大小變化，僅隨磁場(chǎng)方向變化，從而進(jìn)入一種絕佳的角度方向的位置測(cè)量狀態(tài)。因此，AMR傳感器是所有磁傳感器中最適合于測(cè)量角度和方向的位置傳感器。

基于AMR技術(shù)的磁傳感器，已發(fā)展出一個(gè)應(yīng)用導(dǎo)向明確、覆蓋全面的產(chǎn)品家族，如圖5所示。

其核心產(chǎn)品線主要圍繞角度、線性位置與開(kāi)關(guān)三大檢測(cè)維度構(gòu)建。在角度測(cè)量領(lǐng)域，AMR磁角度芯片可直接測(cè)量磁場(chǎng)方向以實(shí)現(xiàn)高精度角度檢測(cè)，可構(gòu)建高精度角度傳感器1和旋轉(zhuǎn)磁編碼器2。在線性與開(kāi)關(guān)檢測(cè)方面，產(chǎn)品形態(tài)多樣：磁線性芯片用于檢測(cè)位置變化，構(gòu)成線性位置傳感器與線性磁編碼器；而磁開(kāi)關(guān)3則提供從基礎(chǔ)的1D/2D開(kāi)關(guān)信號(hào)到鎖存開(kāi)關(guān)等多種解決方案，以滿足不同的通斷檢測(cè)需求。此外，該技術(shù)還衍生出三軸磁力計(jì)以及專(zhuān)用于齒輪檢測(cè)和輪速測(cè)量的齒輪/輪速傳感器，展現(xiàn)了AMR技術(shù)在汽車(chē)、工業(yè)與消費(fèi)電子等領(lǐng)域卓越的適應(yīng)性與可靠性。

2.2.2 GMR 傳感器

GMR傳感器由兩層鐵磁層中間夾一層極薄的非磁性金屬導(dǎo)電層構(gòu)成。當(dāng)兩鐵磁層的磁化方向平行時(shí)，與自旋方向一致的電子可以順利通過(guò)，電阻最小；當(dāng)磁化方向反平行時(shí)，電子散射增強(qiáng)，電阻最大。GMR電阻變化率大于AMR，具有高靈敏度、寬線性范圍和高響應(yīng)速度的特點(diǎn)。但由于其采用多層膜結(jié)構(gòu)，噪聲較高，信噪比不及AMR。

2.2.3 TMR 傳感器

TMR傳感器是GMR結(jié)構(gòu)的進(jìn)階，將中間的非磁金屬導(dǎo)電層替換為極薄的絕緣隧道勢(shì)壘層。電阻變化依賴(lài)于電子穿越勢(shì)壘的量子隧穿概率，該概率對(duì)兩鐵磁層磁化方向極為敏感（磁化方向平行時(shí)，隧穿容易，電阻低；反平行時(shí)，隧穿困難，電阻高）。TMR具備所有磁阻技術(shù)中最高的靈敏度、極高的電阻和極低的功耗，但噪聲比較高，且對(duì)ESD較為敏感。

3 按照功能集成度劃分

3.1 單磁頭級(jí)芯片

單磁頭級(jí)芯片是磁傳感器技術(shù)體系中的基礎(chǔ)核心元件，其采用半導(dǎo)體工藝制造，僅包含純磁敏感單元（如霍爾板或磁阻電橋）而不集成任何信號(hào)處理電路的微型化芯片。其僅負(fù)責(zé)將磁場(chǎng)信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為原始、微弱且高阻抗的模擬電信號(hào)，輸出信號(hào)（電壓差或微小電阻變化）與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向成比例。該類(lèi)芯片高度依賴(lài)外部精密電路（如激勵(lì)源、儀表放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器）才能實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量，可提供極高的磁電轉(zhuǎn)換靈敏度與設(shè)計(jì)靈活性，是追求極限性能、特殊應(yīng)用或深度定制化傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

3.2 系統(tǒng)級(jí)芯片

系統(tǒng)級(jí)芯片在單磁頭級(jí)敏感單元的基礎(chǔ)上，通過(guò)半導(dǎo)體工藝將完整的信號(hào)處理鏈與智能功能集成于單一封裝內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)功能完備的微型測(cè)量系統(tǒng)。該類(lèi)芯片內(nèi)部融合高精度傳感單元（如XMR）、信號(hào)調(diào)理電路、嵌入式處理器及智能算法、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口（架構(gòu)如圖6所示），能夠直接輸出經(jīng)過(guò)放大、線性化、溫度補(bǔ)償后的穩(wěn)定模擬信號(hào)或通過(guò)I2C、SPI等標(biāo)準(zhǔn)接口輸出的數(shù)字信號(hào)。

系統(tǒng)級(jí)芯片外部電路極簡(jiǎn)，大幅降低了應(yīng)用開(kāi)發(fā)門(mén)檻，同時(shí)通過(guò)芯片內(nèi)部?jī)?yōu)化實(shí)現(xiàn)了高精度、低漂移與高可靠性，是驅(qū)動(dòng)磁傳感技術(shù)在汽車(chē)、工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域廣泛普及的核心產(chǎn)品形態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，磁傳感器是一系列技術(shù)路徑并存的產(chǎn)品體系，分別對(duì)應(yīng)不同層級(jí)的性能需求和應(yīng)用場(chǎng)景。分立器件成本低、用于基礎(chǔ)開(kāi)關(guān)檢測(cè)；單磁頭級(jí)芯片為高性能或特殊應(yīng)用提供核心敏感單元；系統(tǒng)級(jí)芯片則提供高集成、即插即用的完整解決方案。作為感知磁場(chǎng)的關(guān)鍵器件，磁傳感器在位置檢測(cè)、電流測(cè)量、電機(jī)控制等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，其多樣化技術(shù)路徑將持續(xù)支撐各類(lèi)電子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

注釋

1 圣邦微電子角度位置傳感器芯片有VCE1715[2]。

2 圣邦微電子旋轉(zhuǎn)磁編碼器芯片有VCE2755[3]、VCE2758[4]，兼容軸心安裝和偏心安裝。

3 圣邦微電子磁開(kāi)關(guān)傳感器芯片有VCS2381/VCS2382/VCS2383[5]，以及VCS2395[6]。

參考文獻(xiàn)

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[6] SG Micro Corp. VCS2395 Datasheet[EB]. https://www.sg-micro.com/rect/assets/44618042-c8aa-424d-906e-c08938df5bd7/VCS2395.pdf

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