三大磁阻效应传感器技术对比

磁传感器在很多领域都有着重要作用，作为一类大家熟知的传感器类型，它的发展可以分为以下几个阶段，先是基于霍尔效应的磁传感器，到基于各向异性磁阻效应的磁传感器（AMR传感），还有基于巨磁阻的GMR传感，还有基于隧道磁阻的TMR传感。抛开霍尔效应传感这个我们了解得最多的一类磁传感，各向异性磁阻、巨磁阻和隧道磁阻这三类磁传感有哪些不同的技术特点呢？
 
三者的最基本的原理可以说都基于最原始的磁阻效应，即通有电流的导体上施加磁场，导体电阻值会发生明显的变化。各向异性磁阻效应是材料中的磁阻变化与磁场和电流间夹角有关，涉及到材料中的S轨道与d轨道电子散射各向异性。AMR传感一般都采用桥式构造，磁电阻比（ΔR/Rmin）在3%左右，AMR传感在运控应用，尤其是车规级运控应用上有很多应用。
 
巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。简单来说，某种条件下物质在磁场中电阻率减小的幅度非常大，就称为巨磁阻效应。GMR传感一般也采用桥式构造，磁电阻比在15%左右。
 
隧道磁阻效应指的是在铁磁—绝缘体薄膜—铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。掌握TMR传感技术的企业并不算多，其高灵敏度、磁阻效应大等优势伴随着是很高的技术门槛。TMR传感同样采用桥式构造，磁电阻比往往大于50%。

	AMR	GMR	TMR
磁电阻比（ΔR/Rmin）	3	15	＞50
功耗（mA）	＜10	＜10	＜0.01
响应时间（ns）	10	10	0.1
温漂（PPM/K）	3000	3000	400
最小尺寸（mm）	1×1	1×1	0.5×0.5

（三大技术领先指标对比）
 
AMR传感IC
 
基于AMR的磁传感不少大厂都有在做，毕竟现在在车规级的角度传感器上AMR传感有着不可忽视的重要作用。这里挑选的是NXP的AMR传感IC。

 

（图源：NXP）

以NXP的AMR传感为例，这类磁传感在提供高精度的测量外，还能提供很低的功耗。车规级AMR传感IC在其整个温度范围和生命周期内具备±1%的精确度，这也是目前AMR传感较为标准的行业精度。
 
至于器件受到参数降级的影响有多大，对磁铁老化敏不敏感，则要具体到每一家来看。NXP的AMR传感在单一封装内集成磁阻MR传感器电桥、混合信号集成电路IC和所需的电容，集成的两路通道均以完全独立的方式工作，几乎不受参数降级的影响。不超过10mA的器件功耗也是目前行业内较为领先的水准。
从整个行业平均水准来看，因为其技术的限制，一流厂商的分辨率、响应时间、温漂这些参数都相差不大。例如ADI的AMR在漂移上更为出色，NXP的AMR在温度覆盖上则明显高出同行。
 
GMR传感IC
 
掌握GMR传感的厂商相比于AMR来说少了很多，英飞凌是少数掌握AMR、GMR以及TMR的厂商，GMR传感的性能我们以英飞凌为例。

 

（图源：英飞凌）

英飞凌的角度传感大多集成了几种技术在一起，单摘GMR技术来看，英飞凌的GMR传感器非常适用于广角范围的应用。英飞凌的GMR传感能覆盖0-360°全角度，且磁场工作范围覆盖30mT至50mT，2mOe的分辨率也是业内一流GMR传感的标准。
 
GMR传感的响应与AMR传感的响应并没有拉开差距，都在10ns这个水平上，功耗也都在10mA这个水准。值得注意的是，GMR传感在尺寸上一般是这几种技术中最大的，但英飞凌采用了创新的堆叠安装技术，在标准且节省空间的TDSO封装中结合了两个独立的传感器，且厚度仅为1 mm左右，做到了和AMR传感同一个尺寸水平。
 
TMR传感IC
 
TMR技术属于这几种技术中门槛最高的，但其灵敏度、磁阻效应也是最为领先的。Crocus的TMR传感代表了TMR技术在世界范围的技术风向。

 

（图源：Crocus）

Crocus的TMR传感灵敏度范围为最大为±50mT，能够测量超过1000A以上的电流，电流测量范围大于±1000A的指标可以说是行业高端TMR技术的一个硬性指标。在±20mT的测量范围下，小于0.5%的总误差，TMR技术里这种级别的线性度上下幅度可以说是业内天花板了。
 
相对于AMR和GMR来说，TMR灵敏度可以说是数量级的领先，同时其温漂更加稳定。在响应时间上，前两者几乎都在10ns标准上，TMR的响应时间，仅为0.1ns。TMR传感器芯片，尺寸一直是困扰其拓展应用的拦路虎，目前最小是0.5×0.5mm，但多数厂商都做不到。
 
小结
 
在AMR传感的测量范围内，它有着优秀的功耗、灵敏度和响应时间。对于运控应用来说，AMR传感正好能提供这种精准的位置测量而且成本也是厂商能够接受的。GMR传感在提供更高精度之外，不同厂商赋予了GMR不同的优势，大大拓宽了GMR传感的应用范围。TMR作为集各种优势于一身的技术，基于TMR磁传感器的产品在智慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的应用。单从技术来看，不管是基于何种技术的磁传感，如何在封装大小、线性度、敏感度、测量范围、测量精度以及成本上做出差异和优势，这是更值得关注的问题。而归根到底，材料和制造水平的发展才是重中之重。