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■ 电子传感元件

发布时间：2025-03-21 20:38:02

文章来源：微扑克Wepoker电子

　　汽车上用到最多的传感器或许就是磁传感器✿◈◈，从踏板到座椅位置✿◈◈，从风扇到油箱液位✿◈◈，都离不开磁传感器✿◈◈。仅霍尔开关一项✿◈◈，在车里可能就有几十颗✿◈◈。

　　磁传感器是什么？顾名思义磁传感器是把磁场✿◈◈、电流✿◈◈、应力应变✿◈◈、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✿◈◈，从而检测电流✿◈◈、位置✿◈◈、方向等物理量的器件✿◈◈。磁传感器由于其具有灵活✿◈◈，高效✿◈◈，性价比高等特点✿◈◈，广泛用于工业✿◈◈、汽车和电子产品中✿◈◈，如图所示✿◈◈，在IoT应用中✿◈◈，磁传感器占有率为第四✿◈◈。

　　实际上✿◈◈，从指南针开始✿◈◈，磁这一技术就被广泛应用于各种场合✿◈◈，在现有技术中柴田亚由美✿◈◈，有许多不同类型的传感器用于测量磁场✿◈◈，主要分为霍尔传感器和磁阻传感器✿◈◈。磁阻传感器因其高灵敏度和良好的线性响应特性✿◈◈，常被用于读取磁盘驱动器中的磁性数据✿◈◈、汽车领域中的转速和位置传感✿◈◈，以及在消费电子产品中作为电子罗盘的组成部分✿◈◈。而霍尔传感器则因其结实耐用和响应速度快的优点✿◈◈，广泛应用于汽车ABS系统✿◈◈、电动机控制✿◈◈、电源管理以及工业自动化控制等领域✿◈◈。

　　根据Yole数据显示✿◈◈，2021 年全球磁传感器市场规模约 26 亿美元✿◈◈，预计到 2027 年市场规模达到 45 亿美元✿◈◈。按出货量口径✿◈◈，预计 2027 年霍尔传感器在全球占比达到 69%✿◈◈，AMR/GMR/TMR 占比分别为 13%/5%/13%✿◈◈。

　　虽然磁传感器和大多数传感器类似✿◈◈，产品指标无外乎围绕灵敏度✿◈◈、带宽✿◈◈、功耗✿◈◈、抗干扰性✿◈◈、温漂✿◈◈、可靠性等进行设计优化柴田亚由美✿◈◈。但是✿◈◈，与光传感器✿◈◈、压力传感器等相比✿◈◈，磁传感器的输入信号较多来源于移动物体✿◈◈，应用场景更加复杂✿◈◈，系统的离散性更大✿◈◈，所以产品设计需要具有更大的包容性✿◈◈，同一个产品需要兼容比如具有不同温度特性的磁性材料✿◈◈、不同的磁铁尺寸✿◈◈、不同累积公差的装配关系等✿◈◈，系统定义难度更高✿◈◈。

　　其次✿◈◈，磁传感器技术实现呈现多样化✿◈◈，每种技术的特点✿◈◈、适用场景✿◈◈、工艺复杂度等各不相同✿◈◈，需要芯片厂商结合自身经验以及应用需求✿◈◈，通过较高的投入✿◈◈、深入的研究才能掌握并设计出具有高性价比的方案✿◈◈。

　　同时✿◈◈，考虑到磁传感器的重要市场是车规应用✿◈◈，包括速度传感器✿◈◈、角度传感器等复杂产品✿◈◈，需要根据系统需求定义传感器算法✿◈◈，还应考虑满足车规级电磁兼容性能以及严苛的温度✿◈◈、振动等环境要求✿◈◈。这就需要芯片厂商同OEM或Tier1密切沟通✿◈◈，从而获得最真实的系统需求定义✿◈◈。在这方面✿◈◈，国际芯片公司积累了长期的knowhow和密切的合作关系✿◈◈。

　　也正因此✿◈◈，磁传感器通常由国际巨头们把控✿◈◈，根据Yole的报告显示微扑克官方✿◈◈，目前主要供应商是英飞凌✿◈◈、Allegro及AKM✿◈◈，三家占据了约40%的营收✿◈◈。但随着本土芯片公司的创新加速✿◈◈、半导体整体技术水平的发展以及国内终端客户给予的信任与支持✿◈◈，一批本土磁传感器供应商正在迅速崛起✿◈◈，在各个领域甚至是汽车市场中✿◈◈，对国际大厂展开了强有力的替代✿◈◈。

　　以传感器起家的纳芯微便是国内磁传感器芯片代表公司之一✿◈◈，从整体业绩来看✿◈◈，纳芯微2023年传感器产品营收占比为13%✿◈◈，较上年提升约6个百分点✿◈◈，实现约1.66亿营收✿◈◈，同比增长49%✿◈◈，其主要增长动力便来自于在客户端导入顺利的磁传感器产品✿◈◈。研发方面✿◈◈，根据纳芯微公开财报信息✿◈◈，其在基于霍尔/磁阻效应的磁性传感器芯片研发投入预计1.65亿元✿◈◈，对比整个纳芯微在研项目✿◈◈，也属于高投入的产品方向✿◈◈。

　　纳芯微磁传感产品涵盖了磁电流传感器✿◈◈、霍尔开关/锁存器✿◈◈、速度传感器✿◈◈、位置传感器以及调理芯片在内的所有分类✿◈◈。

　　磁电流传感器分为集成式电流传感器和线性电流传感器✿◈◈，磁感应式电流传感器是通过测定对象的电流线周围产生的磁场(磁通密度)来检测电流量的传感器✿◈◈。与使用分流电阻直接测定的方法不同✿◈◈，磁传感器是使测定对象的电流线和传感器信号在绝缘状态下检测✿◈◈，因此能够无损失地进行测定✿◈◈，从而不对系统造成影响✿◈◈，且更为简单功耗较低✿◈◈。

　　纳芯微的电流传感器以霍尔原理的芯片为技术基础✿◈◈。目前主要有两大系列微扑克官方✿◈◈，一个是电流不超过200A的芯片级封装的电流传感器✿◈◈，其内部集成电流路径✿◈◈，另一个系列是用于电流传感器模组的线性磁场测量用的电流传感器✿◈◈。

　　比如纳芯微内部集成电流路径的霍尔电流传感器NSM201x系列✿◈◈，可实现高精度电流采样✿◈◈，内部原边busbar通过被测电流✿◈◈，硅基芯片中集成的霍尔器件能感应被测电流产生的磁场✿◈◈，经过一系列调理放大电路转换成与电流大小成比例的输出电压通过副边输出✿◈◈。原边电流路径与副边电路处于隔离状态✿◈◈。也正因此✿◈◈，NSM201x系列可在不用任何外部保护器件的情况下✿◈◈，SOW16封装系列隔离耐压可达5kV柴田亚由美✿◈◈、最大浪涌隔离电压可达10kV✿◈◈。SOP8封装系列隔离耐压可达3kV✿◈◈、最大浪涌隔离电压可达6kV✿◈◈。可应用于包括光伏逆变器✿◈◈、汽车OBC✿◈◈、DC/DC✿◈◈、充电枪✿◈◈、PTC加热器✿◈◈、工业变频器✿◈◈、电源✿◈◈、服务机器人✿◈◈、无人机以及两轮车等丰富的场景中✿◈◈。

　　纳芯微的开关/锁存器包括了霍尔及磁阻两类✿◈◈，方便客户进行选择✿◈◈。锁存传感器和开关传感器可以提供磁场强度超出阈值时的数字输出✿◈◈。这对于事件计数✿◈◈、非接触式开关和等应用非常有用✿◈◈。

　　开关式传感器根据检测的磁场分为三种类型✿◈◈：单极✿◈◈、全极和锁存器✿◈◈，根据外加磁场的强度来执行开✿◈◈、关动作✿◈◈。锁存型是判断磁极切换进行输出✿◈◈。锁存器与全极开关类似✿◈◈，它有正极 BOP 和负极 BRP✿◈◈，但却能精确控制开关动作✿◈◈。锁存器要求正负极磁场同时工作✿◈◈。单独的磁体位于强度足够的正极磁场时✿◈◈，会使器件切换至开启状态✿◈◈。当器件开启时✿◈◈，它会锁定状态并保持开启✿◈◈，即使将磁场移开也是如此✿◈◈，直到出现一个强度足够的负极磁场出现✿◈◈，器件会关闭✿◈◈。

　　霍尔效应传感器并非是用于实现磁性开关的唯一选择✿◈◈。在需要简单的接通和关断或打开和关闭接近检测的应用中✿◈◈，簧片开关是另一种常用的元件✿◈◈。但使用簧片开关的一个主要缺点是✿◈◈，器件的机械性质决定了其使用寿命有限✿◈◈。霍尔效应传感器不像簧片开关那样具有机械触点✿◈◈， 并且提供不受机械磨损影响的更可靠的解决方案✿◈◈。

　　而相比其他有类型的开关✿◈◈，霍尔传感器具有诸多优势✿◈◈。首先没有机械触点✿◈◈，不会产生磨损✿◈◈，使用寿命比机械开关长✿◈◈。其次✿◈◈，与光学开关相比✿◈◈，霍尔IC在有灰尘和污垢堆积的环境下也能进行磁场检测✿◈◈。第三✿◈◈，与其他传感器不同✿◈◈，霍尔传感器不仅可以在无磁铁的条件下工作✿◈◈，还可以在不接触的情况下进行检测✿◈◈，并可实现防水设计且维护方便微扑克官方✿◈◈。

　　近年来✿◈◈，锁存型IC还被用于简单的旋转编码器等应用中柴田亚由美✿◈◈。使用开关式霍尔IC进行转子检测✿◈◈，根据磁极数的不同✿◈◈，虽然输出的脉冲数与锁存型IC相同✿◈◈，但是占空比相对较差✿◈◈。增量编码器可以监控磁体的移动速度✿◈◈、速率以及方向✿◈◈。而绝对编码器不仅可以实现这一功能✿◈◈，还可以在高分辨率下确定磁体的确切位置✿◈◈。增量编码器设计人员使用数字输出霍尔效应锁存器时✿◈◈，分辨率取决于系统中磁极的数量✿◈◈。实现更高的分辨率需要更高极数的环形磁体✿◈◈，而随着磁极尺寸变小✿◈◈，磁体产生的磁场本身就会变弱✿◈◈，设计人员需要将传感器放置在更靠近磁体的位置或使用灵敏度更高的传感器✿◈◈。纳芯微的TMR锁存器NSM1053就非常适合工业磁编场景✿◈◈。

　　液位计包括带永磁铁的浮子和带磁开关的量器组成✿◈◈。当浮子上的永磁铁靠近磁开关时✿◈◈，如果磁场大于BOP时✿◈◈，磁开关输出为低电平信号✿◈◈。多个磁开关并联供电✿◈◈，相邻开关输出经过电阻相连微扑克官方✿◈◈。当永磁铁运动到某一位置时✿◈◈，对应的开关导通✿◈◈，输出回路经过开关内部导通到地✿◈◈。不同位置的开关导通对应输出网络的不同电阻值✿◈◈，从而引起输出电压的变化✿◈◈。通过检测VOUT电压即可检测磁铁即浮子的位置✿◈◈。

　　NSM1052便是纳芯微电子推出的一款应用于工业的低功耗TMR开关芯片✿◈◈。NSM1052是全极性开关✿◈◈，感应与芯片贴片平面平行的磁场✿◈◈，既可以感应N级磁场又可以感应S级磁场✿◈◈。当磁感应强度B逐渐大于开启阈值BOP时✿◈◈，开关处于开启状态✿◈◈。当磁场减少至释放阈值BRP时开关处于关闭状态✿◈◈。

　　对于现代汽车而言✿◈◈，轮速信息是必不可少的✿◈◈，汽车动态控制系统（VDC）✿◈◈、汽车电子稳定程序（ESP）✿◈◈、防抱死制动系统（ABS）✿◈◈、自动变速器的控制系统等都需要轮速信息✿◈◈。所以轮速传感器是现代汽车中最为关键的传感器之一✿◈◈。一般来说✿◈◈，所有的转速传感器都可以作为轮速传感器✿◈◈，但是考虑到车轮的工作环境以及空间大小等实际因素✿◈◈，常用的轮速传感器主要包括磁电式轮速传感器柴田亚由美✿◈◈、霍尔式轮速传感器微扑克官方✿◈◈，xMR轮速传感器✿◈◈。

　　磁电式轮速传感器具有结构简单✿◈◈、成本低✿◈◈、不怕泥污等特点✿◈◈，但是磁电式轮速传感器也有一些缺点✿◈◈，包括频率响应不高以及抗电磁波干扰能力差✿◈◈。而霍尔式轮速传感器利用霍尔效应原理制成✿◈◈，其输出信号电压振幅值不受转速的影响✿◈◈；频率响应高且抗电磁波干扰能力强✿◈◈。

　　2023年2月✿◈◈，纳芯微与大陆集团旗下合资公司陆博就乘用车关键零部件轮速传感器本土化项目签署产品合作协议✿◈◈，在技术与安全领域深度合作✿◈◈，共同推进汽车芯片国产化进程✿◈◈，保障供应链稳健安全✿◈◈，这也标志着纳芯微磁传感器水平受到了国际领先汽车零部件厂商的认可✿◈◈。

　　在具体应用中✿◈◈，通常会使用编码器来测量旋转的角度和方向✿◈◈。编码器是一种将位置信息转换为数字信号的设备柴田亚由美✿◈◈。它通常由一个旋转式编码器和一个固定式编码器组成✿◈◈。旋转式编码器被安装在旋转轴上✿◈◈，而固定式编码器则固定在底座上✿◈◈。当物体旋转时✿◈◈，旋转式编码器会旋转✿◈◈，而固定式编码器则不变✿◈◈。旋转式编码器上的编码器盘上有一些光学或磁学编码器条纹✿◈◈，这些编码器条纹在旋转时会被检测到✿◈◈，从而测量物体旋转的角度和方向✿◈◈。

　　霍尔阵列传感器则是利用正弦✿◈◈、余弦信号与所施加磁场角度成正比的原理✿◈◈，将两极磁铁的角度位置信息通过内部DSP解算✿◈◈，转化成模拟电压✿◈◈，PWM✿◈◈，SPI等各种输出形式✿◈◈。

　　纳芯微NSM301x是一种非接触式旋转角度传感器✿◈◈，在-40℃-125℃的环境温度范围内支持360°旋转角度的精确测量✿◈◈。

　　NSM301x提供SPI和OWI接口用于信号路径配置以及可擦除编程寄存器块（MTP）✿◈◈，它具有自动增益(AGC)调整模块✿◈◈，可对信号路径进行增益调节✿◈◈，以适应不同的机械约束和磁场✿◈◈。这种方法在系统设计方面提供了最大的灵活性✿◈◈，因为它可以直接集成到现有的系统中✿◈◈，提供较高的准确度✿◈◈。即便是在动态变化的磁场场景中✿◈◈，依然能够保证采样精度✿◈◈。另外✿◈◈，在高速旋转情况下✿◈◈，芯片的采样和响应时间较长✿◈◈，可能会影响精度✿◈◈。NSM301x具有动态角度补偿✿◈◈、采样滤波等功能✿◈◈，以提高精度表现✿◈◈。

　　纳芯微的位置传感器可应用于包括旋转角度位置测量✿◈◈、阀门旋转角度测量✿◈◈、油门踏板角度传感器✿◈◈、取代传统旋钮式滑动变阻器✿◈◈、家用打印机及手持式打标枪等场景中✿◈◈。

　　传感器敏感单元的输出信号一般比较弱✿◈◈，抗干扰能力低✿◈◈，信号不能远传✿◈◈，并且由于制造工艺的偏差和温度影响✿◈◈，很难保证传感器输出标准信号✿◈◈。除此之外传感器存在非线性误差✿◈◈、灵敏度漂移✿◈◈、零点漂移等问题✿◈◈，直接使用会影响测量精度✿◈◈。

　　调理IC可直接连接传感器✿◈◈，提供传感器所必须的激励信号并将传感器的输出电信号萃取和放大✿◈◈，然后加以线性化并提供温度校准和补偿✿◈◈。传感器信号调理IC的输出可以是数字信号也可以是模拟信号✿◈◈。

　　2013年纳芯微成立之初✿◈◈，就开始开发传感器调理芯片✿◈◈，因此取得了非常多的积累✿◈◈，目前纳芯微磁传感器调理芯片出货已经超过8000万只✿◈◈。

　　从汽车到工业再到消费电子✿◈◈，随着越来越多的人机交互和自动化的需求✿◈◈，磁传感器在接近✿◈◈、位移✿◈◈、换向✿◈◈、角度等领域正发挥着越来越重要的作用✿◈◈。同时✿◈◈，其高性价比✿◈◈、易安装✿◈◈、易维护的特性✿◈◈，使其越来越受到欢迎✿◈◈。

　　通过纳芯微的产品布局也可以看到✿◈◈，国产磁传感器正在加速创新✿◈◈，通过多样化的产品和技术组合✿◈◈，满足不同应用场景下对芯片的细分需求✿◈◈。与国际厂商相比✿◈◈，国内公司在产品组合方面尚处于追赶阶段✿◈◈，但相信随着未来持续以应用需求为导向的发展✿◈◈，其产品线将进一步丰富和完善✿◈◈，构建出更加全面的产品组合✿◈◈。

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