磁传感器是传感器中重要的品类,是电流传感、接近传感、线性位置检测、转动速率检测、旋转位置检测等传感器主要实现方式之一,在汽车、工业、能源和消费电子等领域存在广泛的应用。根据贝哲斯咨询的统计数据,2022年全球磁传感器市场规模为224.25亿元(人民币),预计到2028年将达到463.32亿元,2023-2028期间的年均复合增长率(CAGR)高达12.83%。

　　过往,人们提到磁传感器,主要讨论的都是几家国际厂商。随着终端市场对磁传感器需求爆发,国产磁传感器厂商紧抓这波机遇,目前已经初见规模。根据纳芯微最新发布的2023年业绩报告,其传感器产品营收实现逆势增长,2023年实现营业收入16575.26万元,同比增长49.18%。纳芯微磁传感器技术市场经理谢奔在和记者交流时表示,“当前纳芯微磁传感器产品出货量已超越1亿颗,汽车和工业等领域的一些头部厂商都已经是我们的客户。”

　　出货超1亿颗是一个门槛,也是一个契机,那么纳芯微是如何完成这一成绩的?有哪些引领市场的核心技术?在这篇文章中将给出答案。

　　磁传感器基于电磁感应原理,对位置、速度、电流等变量进行仔细的检测。如果按照技术原理来分,磁传感器大致上可以分为霍尔(Hall)传感器和磁阻传感器两大类,其中磁阻传感器又能够继续细分为AMR(各向异性磁阻)、GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁阻)三大类。

　　霍尔传感器利用霍尔效应对磁场进行仔细的检测,是目前磁传感器中最大的门类。根本原因在于,霍尔传感器发展历史悠远长久、技术成熟,且可以用硅基工艺制造。谢奔从产品设计的角度谈道:“在磁传感器领域,霍尔传感器出现时间最早,在产品设计方面就会有两大明显的优势:其一是应用于霍尔传感器的成熟IP比较多;其二是硅基工艺让霍尔传感器更加有益于产品集成。”按照Yole的统计数据,以出货量口径计算,霍尔传感器在磁传感器中占比高达69%,AMR、GMR、TMR传感器占比则分别是13%、5%和13%。

　　从技术发展来看,霍尔传感器之后,依次出现的技术是AMR、GMR、TMR。作为最新的技术,TMR在低功耗和高精度方面,有着天然的优势。

　　正如上述数据所示,目前磁传感器发展正处于高速增长期。作为一个大的传感器类别,磁传感器能够长久存在且不断进行技术迭代,背后的支撑力是庞大的市场需求。磁传感器具有精度高、响应速度快、灵敏度较高,且具有无接触、无摩擦、无振动等优点,大范围的使用在汽车、工业、消费电子、医疗器械、计算机等领域,主要的产品形态包括磁位置传感器、磁速度传感器、磁开关、磁电流传感器、电子罗盘和锁存器等,市占比分别为38.2%、20%、16.8%、16.2%、8.5%和0.3%。

　　作为现代传感器产业的一个主要分支,磁传感器不仅产品类别丰富,且应用广泛。谢奔指出,纳芯微公司的使命是“感知驱动未来,共建绿色、智能、相互连通的芯世界”。因而,磁传感器是纳芯微重要的产品布局。目前,纳芯微在磁传感器方面共有四大产品矩阵:

　　 电流传感器,包含集成式电流传感器、线性电流传感器,其中线性电流传感器又可分为有磁芯和无磁芯的方案。

　　 位置传感器,包含角度传感器、磁开关,其中磁开关又包含了车规霍尔开关/锁存器、工规霍尔开关、工规TMR开关/锁存器。

　　 磁传感器调理芯片,用于xMR或GaAs霍尔传感器的信号调理。

　　对照上面的市占比信息,可见纳芯微的磁传感器类别是非常全面的,技术上主要倾向于布局成熟的霍尔传感器,以及TMR磁阻效应传感器。记者对比纳芯微和多家厂商的磁传感器产品后发现,无论是基于怎样的技术原理,纳芯微磁传感器在精度和灵敏度方面都有一定的优势,谢奔称,是因为纳芯微对此专门做了技术增强,尤其是针对霍尔传感器。

　　他介绍说,霍尔传感器作为一个历史悠远长久的磁传感器类别,和其他后面出现的技术(指AMR、GMR、TMR)相比,在精度和灵敏度等方面会有劣势。纳芯微深知这一点,基于多年的传感器调理芯片设计经验,以及在产品研究开发与应用过程中积累的大量客户的真实需求与应用经验,针对性地设计了一阶+二阶温度补偿电路,保证了霍尔传感器在温度范围内的输出稳定性。

　　为了让霍尔传感器也能够拥有较高的精度,纳芯微开发了霍尔板堆叠、旋转电流驱动等技术。一般而言,霍尔传感器相比xMR传感器会有更高的噪声,为实现产品的低噪声,纳芯微在产品内部进行霍尔板堆叠,虽然产品内部看起来还是一个霍尔点,不过这个点内会包含6个、8个,甚至更多的霍尔板,进而让产品有更加优质的噪声表现。

　　产品有了更高的信噪比,就会更加容易实现高精度。同时,纳芯微还在霍尔传感器内部加入了旋转电流驱动等专利技术,有两象限旋转或者四象限旋转等多种方式,以此来降低了霍尔传感器的零漂,这也能逐步提升产品精度。

　　谢奔指出,“为提升霍尔传感器的特征性能,在纳芯微内部,上述这样的技术创新非常多。”他以纳芯微霍尔效应角度传感器举例,该产品一个突出的优势是能够在更宽的温度和磁场变化范围内保持高精度。这主要得益于差分检测与Cordic算法。相关器件采用四盘霍尔差分检测,针对差分后的正余弦信号,又设计了自动增益调整模块,可以将动态变化的原始模拟信号灵活地调整到14bit ADC的70%或80%量程。再加上Cordic算法,纳芯微霍尔效应角度传感器便具有了抵抗外界杂散磁场干扰的能力,不受环境和温度变化的影响,器件内的动态角度补偿、滤波器等则逐步提升了测量精度。

　　记者在和谢奔的沟通中能够明显感觉到,在纳芯微每一款霍尔传感器背后,都会有一个技术创新的故事。通过这一些技术创新,纳芯微的霍尔传感器具备了线性区间大,抗干扰能力强,等优点,且产品精度处于行业领头羊,也逐步提升了产品的性价比。和霍尔传感器一样,纳芯微在TMR传感器方面同样进行了大量的技术创新,以进一步发挥TMR在低功耗和高精度方面的技术优势。

　　除了产品性能方面的优势之外,谢奔表示,无论是当下,还是未来的产品规划,汽车都是纳芯微磁传感器着重关注的方向。为了让产品能够很好的满足汽车应用中复杂、严苛的环境挑战,“高品质”是纳芯微磁传感器的另一张名片。高品质体现在很多方面,包括性能冗余、应力补偿和高可靠性。

　　首先看性能冗余,谢奔以纳芯微集成式电流传感器举例,产品提供隔离电压功能。其中,SOW-16封装的集成式电流传感器的基本绝缘工作电压是1550Vpk/1097Vrms,是UL62368法规基于其爬电距离8.0mm所允许的工作电压。不过,该产品内部的绝缘物质的绝缘能力远不止于此。在绝缘油中,其最大浪涌隔离耐压(Vsurge)可达10kV。

　　再看应力补偿,无论是在汽车应用中,还是在工业、能源应用中,外部应力都是一个很大的挑战。为了让纳芯微的磁传感器能够应对这些应力情况,该公司在电路设计和结构设计上都给出了方案。在电路设计上,纳芯微部分产品带有应力补偿功能;在结构设计上,纳芯微磁传感器在形状设计和封装材料选择方面最大限度地考虑了应力的影响,在工程验证阶段,会在变化的环境中根据应力对性能的影响调整框架设计,并选择具有更低应力系数的封装材料。

　　最后看一下产品高可靠性保障,在这一个方面,纳芯微通过三大抓手进行保障可靠性设计、可靠性验证、高覆盖度下线测试。“在纳芯微内部,针对汽车芯片开发有一套产品设计开发的准则,通过设计审查的方式来评估一颗芯片是不是满足汽车应用的需求,在过孔数量、线宽、走线等方面都有很严格的要求。另外,车规级的磁传感器,不仅需要严格遵循车规级测试和可靠性标准,同时也需要用车规级电路的设计规则,采用车规晶圆,以及符合标准要求的车规封测专线。”谢奔说。

　　根据他的描述,实际上除了这三大抓手,纳芯微针对一些特殊应用的车规级产品的可靠性测试还会“加严”进行更加严格的额外测试,比如汽车芯片一般会有1000小时的长时间老化测试,纳芯微的标准是双倍的,要测2000小时。

　　这种严格的产品测试流程在工业和消费级磁传感器方面同样有所体现。同时,纳芯微工业和消费级磁传感器在生产端也有相应的生产管控,比如3西格玛(3)管理,进而保障产品无质量问题。

　　从应用角度来看,磁传感器的应用是十分普遍的,国计民生的所有的领域都有涉及。那么,纳芯微四大磁传感器产品矩阵主要面向哪些领域呢。谢奔回复称,汽车、能源、工业和消费电子是纳芯微磁传感器重点覆盖的领域。

　　面向汽车领域,纳芯微提供集成式电流传感器、线性电流传感器、角度传感器、车规霍尔开关/锁存器、速度传感器等产品。其中,集成式电流传感器大多数都用在汽车OBC、DC-DC;线性电流传感器大多数都用在汽车牵引电机的相电流与母线电流检测;角度传感器大多数都用在汽车热管理系统水阀位置检测、雨刮器位置检测、方向盘转角位置检测、EGR阀等;车规霍尔开关/锁存器大多数都用在汽车座椅位置、车窗控制、天窗、尾门位置检测、车载电机换相等;速度传感器大多数都用在汽车ABS轮速检测。谢奔强调,后续包括主动悬架、EPS等汽车应用,纳芯微的磁传感器也会陆续支持。

　　面向工业、能源和消费电子领域,纳芯微提供集成式电流传感器、线性电流传感器、工规霍尔开关、工规TMR开关/锁存器等产品。其中,集成式电流传感器大多数都用在工业变频器、电源、光伏逆变器等领域;线性电流传感器大多数都用在电流传感器模块等应用;工规霍尔开关大多数都用在家电、智能锁、电动两轮车、无人机、鼠标键盘、电动工具、笔记本电脑、民用电表等市场;工规TMR开关/锁存器大多数都用在工业液位计、干簧管替代、民用表计(水表、气表、热量表)、工业伺服编码器等领域。

　　综合谢奔的深入讲解和纳芯微的官方资料,纳芯微磁传感器品类全、应用广,全面的技术上的支持在中间起到积极串联作用。针对上述应用,纳芯微提供完善的文档和工具支持、及时的现场技术支持,且工具中有很多易于用户使用的改进。以可编程霍尔开关NSM1030应用为例,GUI上设计了Auto trim功能,用户不需要在应用中手动一步步调整code, 取而代之能够最终靠一键自动的方式自动寻找开关点,大幅度的提高了编程效率。

　　此外,和其他磁传感器供应商相比,纳芯微有一个显著的竞争优势就是出色的产品定制化能力。谢奔称,纳芯微有完善的产品研究开发流程,多年的大客户合作开发经验,保障了开发过程的科学性,降低人的因素造成开发事故的可能性。同时,加严的可靠性测试进一步确保了芯片的可靠性。

　　“在纳芯微传感器、电源、信号链、驱动、隔离接口等众多产品线中,积累了大量的IP,这些经过不同应用场景验证过的IP可以被芯片设计人员直接调用,从而大幅度的提升开发效率并大大降低产品开发失败、存在品质问题的可能性。这些复用的IP让纳芯微的产品无论是标准品还是定制产品,都具有超高的性价比。”他进一步讲到。

　　事实上,上面提到的纳芯微速度传感器就属于一款定制芯片,是纳芯微与大陆集团旗下合资公司陆博合作开发的轮速传感器,主要使用在于防抱死制动系统(ABS)、车身电子稳定系统(ESP)、自动变速器等控制管理系统。在这个案例中,纳芯微充分的发挥自己的技术优势和领先的产品、市场理解,为陆博提供符合其本土化战略及市场需求的解决方案。据悉,这款产品将于今年第四季度量产,既是一款定制化产品,也是一款面向通用市场的产品。

　　谢奔表示,“在定制化业务合作中,还有一点也很重要,作为一家上市公司,纳芯微具有稳健的财务能力与业务透明度,保障定制化项目合作方的供应链安全。”(来源于电子发烧友)

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