美新半导体|美新半导体专家带您看懂地磁传感技术
磁传感器是将由磁场、应力、应变、温度、光等引起的磁特性变化 ， 转换成电信号进行检测的装置 。 磁传感器主要用于感测方向、角度、位置和速度等 ， 广泛应用于消费电子、汽车和工业领域 。
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根据麦姆斯咨询提供的数据显示 ， 2019年 ， 全球磁传感器市场规模约为22.8亿美元 ， 预计2020年~2025年期间的复合年增长率（CAGR）可达6.5% ， 市场规模到2025年将增长至32.5亿美元 。
目前 ， 可用于检测地磁场分布变化的主流技术包括霍尔效应（Hall）、各向异性磁阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）、隧穿磁阻效应（TMR）四种：
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各向异性磁电阻（AMR）
各向异性磁电阻（AMR）效应是指当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻不随外加磁场变化而发生改变；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 ， 电阻降低 。
电阻随磁化方向和电流之间的夹角变化：
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通过惠斯通电桥结构实现输出电压随外加磁场变化：
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通过Set/Reset可以改变磁性薄膜条(上图中绿色条)磁化方向向左或者向右, 由此可以翻转传感器的灵敏度的正负, 零点漂移不会被翻转 。
Set时输出: 总输出=零点偏差+灵敏度*外场；Reset时输出: 总输出=零点偏差-灵敏度*外场；由此可以实时消除零点漂移 。
AMR磁传感器具有高频、低噪和高信噪比特性 ， 性能远高于传统的霍尔传感；由于AMR技术只需一层磁性薄膜 ， 稳定性、可靠性高 。 AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上；AMR磁传感器在地球磁场范围内性能优良 ， 且不随温度变化 ， 测量精确度可达1度 。
霍尔效应
当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时 ， 在其两侧将产生电位差 ， 这一现象被称为霍尔效应 。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果 。
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通过通量集中器 ， 置于多组霍尔传感器上的圆盘 ， 实现XY方向磁场检测 ， 但也带来零点易受干扰的问题 。
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霍尔效应传感器有许多优势 ， 例如可以非接触监测、测量范围广、响应速度快 ， 但同时也存在着一些弊端 ， 例如霍尔传感器的输出并没有差分处理 ， 因此offset一直在持续变化 ， 另外 ， 霍尔传感器的聚磁环（concentrator）会引入巨大的噪声；为了获得较高精度的磁场测量 ， 在霍尔传感器使用时还必须进行温度补偿 。
并且 ， 霍尔传感器只能测量Z轴方向磁场 ， 需要加额外的通量集中器结构才能测量XY平面内信号 ， 由此会带来巨大的磁滞 。
巨磁电阻（GMR）
1988年 ， 德国科学家格林贝格尔发现了一种特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化 。
同时 ， 法国科学家费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现 ， 微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化 ， 其变化的幅度比通常高十几倍 。 费尔和格林贝格尔也因发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖 。
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