磁传感器引领行业潮流

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发表于 2017-9-7 09:43:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
近几年来互联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,是新一代信息技术的重要组成部分,也是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。万物互联时代,物联网将为我们打开一个智能社会,将虚拟的电子世界和现实的物理世界有机的结合起来,传感器在其中起到桥梁作用,其中磁传感器近几年的快速发展更是抓住了业界的眼球。

磁传感器是一种把磁场、放射线、压力、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,以此来检测相应物理量的一种器件,具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点,磁传感器主要用来感测位置、速度、运动和方向,应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等。

我们对磁传感器并不陌生,中国四大发明中的指南针就是最早的磁传感技术。虽然磁传感器有一千多年的历史,但它的广泛应用却是在二十世纪的电子时代,其中每一次革命性的发展都是被一个极具生命力的应用所驱动。六十年代汽车的普及和自动化,带动了由磁传感器作为核心的无需接触且具有超强可靠性的位置控制和开关控制装置的发展,从而使霍耳元件和感应线圈技术制造的磁传感器得到大规模生产化,提高了集成度和降低了成本。八十年代电脑开始进入普通家庭,电脑存储硬盘使用的读写磁头是一种特殊环境下的磁传感器,需求的增加以及对存储密度的超高追求,使得磁头在过去的二十年呈现飞速发展,也带动了巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)技术的发现和各种磁阻类磁传感器的开发和大规模生产。九十年代是这些磁性传感器的成熟和完善期;本世纪初至今,是新型磁性传感器的研究开发期,磁传感器开始广泛应用于工业领域、汽车领域和消费电子领域,发挥着愈来愈重要的作用!

磁传感器市场的增长势头强劲

据市场调研公司MarketsandMarkets预测,全球磁传感器市场规模预计将从2015年的22.5亿美元增长至2022年的41.6亿美元,2016~2022年间的年复合增长率为8.87%,增长势头强劲。

全球磁传感器市场增长的主要驱动力来自于:磁传感器垂直行业对基于MEMS传感器的需求日益增长(传统的基于机电工艺制成的传感器和执行器在体积、价格和产能上不能适应工业、消费电子等领域的需求)、汽车和电子罗盘应用的增长、对高质量传感器件需求的日益增加、消费电子应用的不断增长。


2023年按地区细分的磁传感器市场预测

亚太地区在2015年占据了全球磁传感器市场最大的市场份额。亚太地区磁传感器市场预计在2016~2011年间将以最快的速度增长,并且预计在消费电子、汽车、医疗健康、工业领域预计将呈现爆发式的增长。包括中国在内的亚太地区正推动着磁传感器市场的发展。

四大磁阻传感器

全球磁传感器市场按照技术类型主要分为四大类:霍尔效应(Hall Effect)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。其中,霍尔效应传感器的历史最悠久,获得广泛应用。然而,随着持续的研发,各种磁阻传感器诞生,并拥有更优异的性能、更高的可靠性。


2013~2018年全球磁传感器市场(按技术细分)

霍尔传感器

1879年,美国物理学家霍尔在研究金属导电机制发现霍尔效应。但因金属的霍尔效应很弱而一直没有实际应用案例,直到发现半导体的霍尔效应比金属强很多,利用这种现象才制作了霍尔元件。

在半导体薄膜两端通以控制电流I,并在薄膜的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集,在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场,电场强度与洛伦兹力产生平衡之后,不再聚集,这个现象叫做霍尔效应。在垂直于电流和磁场的方向上,将产生的内建电势差,称为霍尔电压UH。

霍尔电压UH与半导体薄膜厚度d,电场B和电流I的关系为UH=k(IB/d)。这里k为霍尔系数,与半导体磁性材料有关。


霍尔效应示意图

2013年,霍尔传感器占全球磁传感器市场份额的70%,此后五年,虽然各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器、隧道磁阻传感器等逐渐侵蚀一些霍尔传感器市场,但其依然占据半壁江山,在磁传感器市场保持着霸主地位。磁传感器生产厂商排名靠前的几位,如日本旭化成(AKM)、美国朗格(Allegro MicroSystems)、英飞凌(Infineon Technologies)、微开(Micronas Semiconductor)等均是霍尔传感器的主要厂家。

AMR磁阻传感器

某些金属或半导体在遇到外加磁场时,其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化,这种现象叫做磁阻效应,电阻的变化量叫做磁阻。

1857年,Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的;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,薄膜电阻降低, 我们这种特性称为各向异性磁电阻效应(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR)。


AMR磁阻传感器等效电路

各向异性磁阻传感器的测量范围正好是以地球磁场分布范围为中心,最适合工作在地球磁场环境下的磁传感器。其采用常见的坡莫合金,具有精度高,体积小,稳定性好等优点,且工艺上只需一层磁性薄膜,工艺简单,成本低,不需要昂贵的制造设备,适合批量生产和更迎合消费类电子市场的需求。

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的磁场低于1高斯,亦可以用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括磁罗盘、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。

年轻的80后“GMR”传感器

与霍尔(Hall)传感器和各向异性磁阻(AMR)传感器相比,巨磁阻(GMR, Giant Magneto Resistance)传感器要年轻的多!这是因为GMR效应的发现比霍尔效应和AMR效应晚了100多年;相应地,GMR磁阻传感器的研发也晚了很多年,市场份额也较前两者少。

1988年,德国科学家格林贝格尔发现了一特殊现象: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。

一般的磁铁金属,在加磁场和不加磁场下电阻率的变化为1%~3%,但铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属构成的多层膜,在室温下可以达到25%,低温下更加明显,这也是巨磁阻效应的命名缘由。


GMR和AMR在外加磁场下电阻率变化示意图

GMR磁阻传感器商业化时间晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器,制造工艺相对复杂,生产成本也较高。但其具有灵敏度高、能探测到弱磁场且信号好,温度对器件性能影响小等优点,因此市场占有率呈稳定状态,最近几年在全球磁传感器的市场份额大约在7.5%左右徘徊。

“后起之秀”TMR磁阻传感器将成为磁传感器的主流

与TMR效应的命运不同,1988年,GMR效应被发现后,基础研究和应用研究几乎齐头并进,迅速发展起来。在GMR效应的深入研究下,同为磁电子学的TMR效应才开始得到重视。2000年,MgO作为隧道绝缘层的发现为TMR磁阻传感器的发展带来了“春天的温暖”。2001年,Butler和Mathon各自做出理论预测:以铁为铁磁体和MgO作为绝缘体,隧道磁电阻率变化可以达到百分之几千。同年,Bowen等首次用实验证明了磁性隧道结(Fe/MgO/FeCo)的TMR效应。2008年,日本东北大学的S. Ikeda, H. Ohno团队实验发现磁性隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率变化在室温下达到604%,在4.2K温度下将超过1100%。TMR效应具有如此大的电阻率变化,因此业界越来越重视TMR效应的研究和商业产品开发。


TMR磁阻传感器的结构

相比于其它磁传感器,TMR磁传感器具备优异的温度稳定性、极高的灵敏度、极低的本底噪声、超低功耗、高分辨率、较大的动态范围、更小的尺寸等特点,代表了固态传感器技术的发展新趋势。TMR磁阻传感器具有优异的性能,可以说其它磁传感器是无法比拟的。TMR磁阻传感器出类拔萃的性能,注定了这个“后起之秀”将成为将来磁传感器的主流。


TMR磁阻传感器的广泛应用

磁传感器的发展趋势

磁传感器未来的发展趋势有以下几种特点:

1、高灵敏度。被检测信号的强度越来越弱,这就需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

2、温度稳定性。更多的应用领域要求磁传感器的工作环境越来越严酷,这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性,行业应用包括汽车电子行业。

3、抗干扰性。很多领域里磁传感器的使用环境没有任何评比,就要求磁传感器本身具有很好的抗干扰性。包括汽车电子、水表等等。

4、小型化、集成化、智能化。要想做到以上需求,这就需要芯片级的集成、模块级集成、产品级集成。

5、高频特性。随着应用领域的推广,要求磁传感器的工作频率越来越高,应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

6、低功耗。很多领域要求磁传感器本身的功耗极低,得以延长磁传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片、电子指南针等。

磁传感器的广泛应用

磁传感器的应用十分广泛,已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用,成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面,发挥着愈来愈重要的作用。

所有最终用户行业中,消费电子行业的磁传感器市场预计在2016~2022年间的增长速度最快。磁传感器广泛应用于从小型消费类电子设备到大型家用电器的各种器件中。它们被用于如智能手机、笔记本电脑、平板电脑、数字视盘(DVD)播放器、打印机、照相机等电子消费类设备以及如洗衣机等大型设备。其亦广泛用于智能手机导航,因为每个智能手机都配备了全球定位系统(GPS)系统。

汽车和消费电子行业是磁传感器的最大终端市场,市场份额占90%左右,而这两部分的市场和生产都在往中国转移,中国的企业面临巨大的发展机遇。中国作为在磁传感器领域最接地气的国家,更接近市场,更接近需求,能更快地响应市场需求。在未来,磁传感器可以覆盖工业、军事、医疗应用的每一个角落,市场空间巨大。磁传感器市场增长和新兴应用兴起正吸引新厂商进入供应链,从而影响/改变竞争格局。

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