基于磁阻技術的AMR磁傳感器原理和優勢

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

1 AMR磁傳感器的原理和優勢

某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發生變化，這種現象叫做磁阻效應。磁阻技術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）效應是指當外部磁場與磁體內建磁場方向成零度角時, 電阻不隨外加磁場變化而發生改變；但當外部磁場與磁體的內建磁場有一定角度的時候, 磁體內部磁化矢量會偏移，電阻降低。各向異性磁阻的磁場作用效果如下圖：

AMR磁傳感器的基本結構是由四個磁阻組成了惠斯通電橋，其中供電電源為Vb，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加；

而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出電壓差信號，可以得到外界磁場值。

基于各向異性磁阻（AMR）技術的磁傳感器具有以下優勢：

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

● AMR磁傳感器在地球磁場范圍內性能優良，且不隨溫度變化，指南針應用，測量精確度可達1度；

● AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上；??

● AMR技術只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低。

2 世界已知最小尺寸AMR磁傳感器

美新半導體（MEMSIC）最新一代的磁傳感器MMC5603NJ是基于先進的AMR技術的單芯片集成的三軸磁傳感器，晶圓級封裝, 是世界上迄今已知最小尺寸（0.8x0.8x0.4mm）的磁傳感器。多項美新所獨有的新技術和新工藝被應用在MMC5603NJ這顆磁傳感器上。

1、高度集成的單芯片設計

早期的MEMS磁傳感器需要兩個MEMS的Die(一個感測X/Y軸的磁場，另一個感測Z軸磁場)和一個用來處理信號的ASIC的Die。這樣的設計結構復雜、體積大、且成本高。隨著設計和制造工藝技術的進步，Die體積越來越小，但一般還是需要一個MEMS的Die和一個ASIC的Die。

美新采用專有的技術，將MEMS技術和標準的CMOS工藝完美結合，直接在ASIC材料表面集成了AMR磁阻材料，并采用獨創的斜坡結構來感測Z軸方向的磁場信號。這樣高度集成的單芯片設計，并采用了晶圓級的封裝，鑄成了業界最小尺寸的三軸磁傳感器。

2、數倍或數十倍領先于同級別產品

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

對此，美新在軟件方面提供了成熟的、可定制的算法來校準方向。然而，當干擾磁場非常大的時候，磁感應元件內部會殘留明顯的剩磁，軟件校準算法對此無能為力；

MMC5603NJ在芯片設計上使用了Auto Set/Reset的機制。此機制是在磁感應元件的敏感極上進行正反兩個方向上的成對操作，可以消除磁傳感器內部固有的offset，并且抵消時間、溫度等變化等因素帶來的漂移。

MMC5603NJ的溫漂只有±0.01μT/℃，遠低于同類產品。因此，MMC5603NJ能在各種苛刻的使用環境下保持始終如一的測量精度和穩定可靠的性能。

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

以上主要性能參數，與市場上同級別產品相比較，MMC5603NJ保持數倍或數十倍的領先。

3 小結

美新深耕磁傳感技術多年，在基于AMR技術的磁傳感器的設計、制造和應用等方面積累深厚,并且還首創將高性能的AMR磁傳感器引入智能手機市場。

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

編輯：hfy