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手机用地磁传感器技术路线大比拼

《慧眼网》邓林供稿,欢迎关注微信公众号:huiyannet 

中国的四大发明之一就是指南针,所以中国人很早就知道利用来地心的磁力来确定方向。在现代,人们利用先进的工艺水平制造出了电子罗盘,就是我们所说的地磁传感器。今天我们来探讨一下手机用地磁传感器的一些技术问题。

室内导航运用将推动地磁传感器从豪配成标配

以往磁传感器在手机中的应用,主要是用在指南针和一些游戏中,最多是用到GPS的惯性导航。所以在客户和一些手机厂家看来,地磁传感器都是一个可有可无的“奢侈品”,一直是高端手机才有的东西。

可是,一项新的应用将大大推动地磁传感器成为手机的必配产品。这就是室内导航。目前已有谷歌、高德等传统的地图厂商建立数据库,以推动室内导航这一基于LBS(Location Based Services)的位置服务。

室内导航有什么用呢

当一个智能手机用户需要购买名牌香薰,又或者用餐时想吃泰国菜,这在类似正佳广场那样庞大、复杂又容易迷路的购物中心,并不是易事。这时该用户只需启动室内导航软件,就可以顺利找到需要的餐厅和商铺。同样,如果要在大型超市寻找走散的同伴(或孩子等),也并不复杂,同样地采用室内导航便可以完成。在导航的过程中,用户通过手机屏幕,能看见的不仅仅是路线,而是各商家打折信息和促销推介。购物中心的商家可以在这个导航软件中做广告,宣传自己的商品,直接促进消费购物。购物中心还可以利用物联网来分析每个客户的停留时间和关注的物品。显然,不论是地图软件商还是购物中心,这都是一笔不少的收入。

磁传感器的发展及主要技术路线

人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器应用之一。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的。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。

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。现在用于手机的磁传感器技术路线主要有几种。目前,可用于检测地磁场分布变化的技术原理主要有:

1.霍尔(HALL)效应:通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下,在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷的积累而出现电势差。

2.电磁感应:线圈切割地磁场的磁力线则将在线圈的两端产生感应电动势。

3.磁阻(XMR)效应:物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。目前,应用广泛的磁阻元件包含:各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、以及隧道磁阻(TMR)。

各向异性磁阻(AMR):AMR磁传感器是由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流,而垂直于电流方向施加一个外界磁场时,合金带自身的阻值会生较大的变化,利用合金带阻值这一变化,可以测量磁场大小和方向。

巨磁阻(GMR):薄膜结构为两磁性层中间夹一金属层,其电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关,两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值,明显大于磁化方向相同时的电阻值,电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量,故被称为“巨磁阻”。

隧道磁阻(TMR):薄膜结构为铁磁/绝缘体薄膜(约1纳米)/铁磁材料,其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化而变化。

那么什么样的磁传感器技术将在这场革命中胜出呢?这是我们都很关心的问题。

总体来说:XMR比HALL要好

从各种磁传感器的工作原理来说,XRM是磁场对铁磁材料的作用(相似于传统指南针原理),而霍尔效应则是磁场与电子间的作用。因此从理论上来讲,XMR比HALL的灵敏度更高。

下图是二者的工作原理对比图:

下图所标注的则是XMR与HALL分别能感应的磁场强度,可以明显看到,地磁场(10的负5次方T)的磁场强度更适合XMR的技术进行测量。

首先,我们来思考一下,运动传感器(MotionSensor)的应用环境,在Motion Sensor中磁传感器主要是用来测量在地球磁场环境下的角度,位置以及它们的变化,对磁传感器的要求是在地球磁场的强度范围内作1%-2%的精准测量。手机及其他便携式消费类电子产品要求磁传感器具有低功耗、低成本和微小尺寸。未来的应用可朝纵深及横向方向发展。纵深可以用室内导航作为代表。磁传感器必须可以测量到在地球磁场下方向一度左右的变化,才能在室内导航中有实质性的影响。因此磁场精确度需好过1毫高斯。在横向发展上以游戏控制为代表,游戏控制需要反应敏捷,速度需要在200赫兹(HZ)左右。

我们再看一个更直观的图示:

从上图也可以看到,有部分的地球磁场,HALL效应是没有办法检测得到的。而在几种MR的技术中,目前AMR更具有成本优和工艺优势。

综上,选择各向异性磁阻(AMR)技术的优势有以下几点:

1.各向异性磁阻(AMR)技术最优良性能的磁场范围是以地球磁场为中心,对于以地球磁场作为基本操作空间的Motion Sensor应用来说,具有广大的运作空间,无需像霍耳元件那样增加聚磁等辅助手段。

2.各向异性磁阻(AMR)技术是唯一被验证,可以达到在地球磁场中测量方向精确度为一度的半导体工艺技术。其他可达到同样精度技术都是无法与半导体集成的工艺。因此,AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足够的精确度。

3.AMR技术只需1-3层磁性薄膜,工艺简单,成本低,不需要昂贵的制造设备,具有成本优势。而TMR则要5-7层,GMR需要4-10层的磁,其工艺复杂得多。

4.AMR技术具有高频、低噪和高信噪比特性,在能看到的各种应用中尚无局限性。

5. AMR技术在强磁干扰后自动校下要比HALL等传感器技术要好。

在目前运用AMR的技术生产地磁产品的公司中,台湾VTC是有较强实力的一家企业,值得大家关注。

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责任编辑:李军