磁性传感器型号 ADALM2000实验：磁性接近传感器

发布时间：2024-10-06 18:10:14

ADALM2000实验：磁性接近传感器

目标

本次实验的目标是利用磁场生成和检测原理去构建简单的接近检测器，并观察检测器输出电压是如何随着电磁体越来越靠近传感器而增加的。

背景知识

简单的接近传感器可检测物体对象之间的距离，可用于多种应用，从简单的门窗开关检测到复杂的高精度绝对位置检测器，应用广泛。接近传感器可采用多种方式设计，其中一种涉及检测磁体（通常为永磁体，但也可能是电磁体）产生的磁场强度。在本次实验中，我们使用铁氧体磁芯螺线管产生磁场。螺线管是一种以圆柱形方式缠绕着磁芯（通常用于制造具有特定电感值的电感）或电磁体的线圈。

ADALP2000模拟部件套件中的100 μH电感用于产生足够强的磁场，并且能够被该套件中集成的AD22151磁场传感器检测到。AD22151是一款线性磁场传感器，其输出电压与垂直施加于封装上表面的磁场成比例。AD22151磁场传感器的工作原理基于霍尔效应。在磁场环境下，当电流流经某个导体时，导体两端就会产生电压（霍尔电压），这种现象就是霍尔效应。运动电荷在磁场中受洛伦兹力作用会发生偏转，从而形成电场，产生霍尔电压。

材料

► ADALM2000主动学习模块

► 无焊试验板和跳线套件

► 四个100 Ω电阻

► 一个100 μH电感

► 一个AD22151磁场传感器

► 两个470 Ω电阻

► 一个100 kΩ电阻

► 一个0.1 μF电容

► 一个10 μF电容

► 一个200 kΩ电阻

► 一个LED

硬件设置

首先，在无焊试验板上构建图1所示的电磁体电路。

图1.电磁体电路。

将包含AD22151磁场传感器的霍尔效应传感器电路（图2）添加到无焊试验板中。

图2.霍尔效应传感器电路。

试验板连接如图3所示。

图3.磁性接近传感器试验板连接。

程序步骤

使用信号发生器W1生成一个恒定的5 V信号，作为AD22151的VCC输入。打开至5 V的正电源，为电磁体供电。当电磁体远离芯片且传感器附近不存在磁场时，示波器的通道1将显示AD22151的输出。

此电压相当于零高斯点，理想情况下为中点电源电压，采用5.0 V电源时为2.5 V，但由于传感器和运算放大器中的直流偏置要乘以运算放大器的闭环增益，所以该电压与中点电源电压不同。

图4.输出失调电压。

如果将电磁体更靠近芯片，输出电压随磁场强度成比例地增加。在图5中，可以看到电压如何随电磁体越来越靠近芯片而增大。当电磁体离芯片较远时，电压将再次降低，直至达到零高斯失调电压。

图5.输出电压变化。

我们可以在5.0 V电源和引脚6的运算放大器求和节点之间添加一个电阻R4，以改变输出失调电压。这样在无外加磁场的情况下，能够使传感器输出电压尽可能接近其线性范围的下限。接下来，我们来计算R4值。

我们指定VCC为AD22151的电源电压，VMID为中点电源电压。

在通道2使用电压表工具测量VCC。要计算R4，必须清楚运算放大器求和节点的输入和输出电流。通过R2的电流定义为IR2。在理想情况下，此电流为零，因为其每侧的电压为VMID，但零场内部霍尔效应传感器输出电压与内部缓冲电压VREF之间会存在一个较小的失调电压。对于低增益电路，此电压在许多情况下可忽略不计，但在高增益电路中（如本例）我们必须加以考虑。

使用电压表测量并记录引脚7处的电压，并将其定义为VREF。使用电压表测量并记录引脚6处的电压，并将其定义为VCM；此为运算放大器输入端的共模电压，并且由负反馈驱动至非常接近内部霍尔效应传感器的输出。计算R2两端的电压：

VR2 = VREF – VCM (1)

流经R2的电流为：

IR2 = VR2/235 Ω (2)

计算流经反馈电阻R3的电流时可考虑电磁体远离芯片时的传感器输出电压，相当于传感器的零高斯点。将此电压定义为VOUT,Z，然后计算电流：

IR3 = (VCM – VOUT,Z)/100 kΩ (3)

计算将VOUT,Z从其当前电平降至较低电平（本例中为0.5 V）所需的电压偏移量。请注意，这是一个负值，计算公式如下：

VSHIFT = 0.5 V – VOUT,Z (4)

通过反馈电阻R3使VOUT,Z偏移至0.5 V所需的额外电流ISHIFT的计算公式如下：

ISHIFT = VSHIFT/100 kΩ (5)

请注意，这是一个负值，因为VSHIFT为负数。通过R4（用于产生所需失调电压）流入求和节点的电流(IR4)与ISHIFT的方向相反，因此可以写成IR4 = –ISHIFT，为正值。

计算R4的值，注意R4两端电压为VCC与VCM之差，计算公式如下：

R4 = (VCC – VCM)/IR4 (6)

图6.包含电阻R4（可改变失调电压）的电路。

从套件中选择一个最接近R4计算值的电阻。四舍五入产生的误差会导致更高的输出电压。将R4置于电路中，如图6中的原理图所示。此外，图8中也显示了如何将此电阻置于试验板中。在这种情况下，套件中可用的最接近阻值为200 kΩ。在示波器的通道1，可以看到输出失调电压已降至其线性范围的下限，接近所需的0.5 V电平。

图7.输出失调电压已降低。

带LED指示灯的磁性接近传感器

可将接近传感器输出端的LED用作视觉指示器。可按照图8中所示进行连接。将100 Ω电阻置于LED的阳极和传感器输出端之间。这可以限制通过LED的电流。将阴极连接至GND。您会发现，电磁体越靠近芯片，LED灯越亮，因为磁场会使传感器的输出电压升高。

图8.带LED指示灯的磁性接近传感器。

问题：

1. 如果改变电感值，电路响应将如何变化？

2. 为什么要降低输出失调电压？您可以在学子专区论坛上找到问题答案。

关于作者

Andreea Pop自2019年起担任ADI公司的系统设计/架构工程师。她毕业于克卢日-纳波卡理工大学，获电子与通信学士学位和集成电路与系统硕士学位。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生。他拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

又一传感器赛道被资本看好！13家国产磁传感器主要厂商都有谁？

今年以来，传感器领域投融资市场持续火热，受国产替代、人工智能AI、人形机器人、自动驾驶等事件影响，包括MEMS传感器、六维力矩传感器、柔性传感器、激光雷达、光纤传感器、光学/光电传感器等多个传感器细分领域受到资本市场关注，传感器在各个领域的重要作用日益获得重视。

国产传感器市场具有这些特点：国产化率低，80%中高端传感器芯片需要进口；国产替代空间大，中国传感器市场占全球20%以上；技术壁垒高，面临与国际巨头技术与市场的双重竞争挑战。因此，国产传感器领域更需资本进入，以促进产品研发以及市场开拓。

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专注于传感器技术领域，致力于对全球前沿市场动态、技术趋势与产品选型进行专业垂直的服务，是国内领先的传感器产品查询与媒体信息服务平台。基于传感器产品与技术，对广大电子制造从业者与传感器制造者提供精准的匹配与对接。

9月3日，我国知名证券机构中信证券发布《汽车传感器系列深度报告》，在电动化和智能化等多项汽车新技术变革中，多条国产传感器赛道将迎来发展机遇。

中信证券：磁传感器市场由海外品牌主导，看好磁传感器国产配套需求提升

昨日（9月3日），中信证券发布《汽车传感器系列深度报告（一）磁传感器：无接触测量位置、速度、电流，同步受益于汽车智能化&电动化》，认为在汽车智能化和电动化趋势下，汽车对磁传感器需求将持续增多，目前国内磁传感器市场由海外品牌主导，但长期看好本土传感器厂商发展机遇。以下为部分摘录：

磁传感器下游应用场景包括汽车、工业、机器人、消费电子等多元领域，当前市场空间约26亿美金。

磁传感器属于非接触式传感器，基于电磁感应原理用于电流、速度、位置等物理量检测，相较普通传感器具备穿透性良好且信息量丰富等优点，具备广泛的应用场景。

按技术原理的不同，磁传感器可分为霍尔传感器和磁阻传感器两类 ，其中霍尔传感器具备体积小、寿命长、耐腐蚀、低成本等优点，在汽车及工业等有着广泛应用，目前是最主流的磁传感器芯片，占比约70%（Yole数据）；磁阻传感器则具备高灵敏度与测量精度、功耗更低等优势，但成本较高，目前占比约30%（Yole数据）。

按测量物理量的不同，磁传感器又可分为开关、位置、速度、电流以及磁力计（电子罗盘）类别，分别对应不同功能。从市场空间来看，根据Yole数据及预测，2021年全球磁传感器市场空间约26亿美元，预计至2027年有望增长至45亿美元，CAGR约9%。

▲来源：Yole

汽车电子是最重要增量，磁传感器有望同步受益于汽车智能化/电动化，单车价值量有望达40~60美金。

在汽车电子场景下，磁传感器可用于 实时检测汽车内部电路电流、轮胎转速、汽车微电机系统状态等信息，并向控制系统或后端电路反馈以实现整体闭环控制，提高系统可靠性。

在汽车电动化及智能化的发展浪潮中，磁传感器的单车用量有望持续提升 ：电动化方面，新能源汽车以“三电系统”取代燃油车的发动机体系，对于电流检测的需求量大幅增加；智能化方面，功能丰富+安全冗余考虑下汽车电子配置不断提升，在电动助力转向系统、防抱死系统、电子油门踏板以及电动座椅等众多部件中磁传感器用量显著增加。

我们测算，一辆电动车磁传感器的单车价值量合计约40~60美元（电动化和智能化各贡献20~30美金），若考虑模组口径则实际单车价值量更高。

磁传感器市场由海外品牌主导，长期中看好本土厂商份额逐步提升。

目前全球磁传感器芯片主流玩家包括Allegro、英飞凌、AKM、Melexis、TDK等海外厂商，尤其是在车规磁传感器领域，海外头部玩家占据了市场的主要份额。

纳芯微、灿瑞科技、赛卓电子、矽睿科技、艾为电子、芯进电子、美新半导体等国内厂商 亦在积极布局，与此同时，磁传感器模组领域玩家包括中车时代电气、比亚迪半导体、保隆科技等。

受限于起步较晚等因素，目前磁传感器芯片的国产化率仍处于较低水平，我们测算当前国内厂商的全球市占率约为5%，仍有较大提升空间。

▲来源：Yole

近年来，国内厂商在磁传感器领域实现品类扩张并在客户导入方面进展积极，中长期我们看好国内汽车产业蓬勃的智能化及电动化升级趋势推动磁传感器的国产配套需求提升，本土磁传感器芯片厂商有望迎来宝贵发展机遇。

本小节内容转载自中信证券研究公众号，报告更详细内容请参看《联合｜磁传感器：无接触测量位置、速度、电流，同步受益于汽车智能化&电动化》文章，本文仅分析产业情况，不具有任何投资建议。

国产主要磁传感器厂商&简介

多维科技：国内少数拥有8英寸磁传感器芯片产线的IDM厂商

多维科技成立于2010年，总部在江苏张家港，建有国内首条高性能磁传感器晶圆8寸线，是中国本土唯一xMR高性能磁传感器IDM厂商。

多维科技的磁传感器晶圆代工厂拥有6英寸和8英寸MEMS晶圆产线 ，是第四代磁传感技术——隧道磁电阻（TMR）的磁性感应芯片产线，提供完整的磁传感器（AMR / GMR / TMR）开发及晶圆制造服务（包括设计、制造和测试），拥有国际先进国内唯一具备规模化量产能力的磁阻传感器特殊工艺线以及配套的模组产线，年产10亿个TMR磁传感器。

截至2023年7月，多维科技已自主研发200多款各品类的磁传感器产品，其中芯片系列产品包括磁开关、线性、角度、齿轮和磁栅系列传感器芯片，模组系列产品包括TMR电流传感器、TMR磁图像传感器、TMR齿轮编码器、AGV磁导航传感器等多款磁传感器产品。

灿瑞科技：国内少数成功在A股上市的磁传感器厂商

灿瑞科技2005年成立于上海，是专业从事磁传感器及高性能数模混合芯片研发设计、封装测试和销售的企业，拥有磁传感器、电源管理芯片、电机驱动、光传感器芯片四条产品线，拥有近600款产品型号，是国家级专精特新“小巨人”企业。2022年10月成功在上海证券交易所科创板上市。

在磁传感器业务方面，灿瑞科技是国内磁传感器营收体量最大厂商 ，95%以上的传感器都是霍尔传感器 ，公司的磁传感器芯片包括智能电机驱动磁传感器芯片、开关型磁传感器芯片、线性磁传感器芯片等 。2021年磁传感器收入1.89亿，全球份额1.08%。灿瑞科技采用“Fabless+封装测试”的经营模式，晶圆在华润包线生产。

矽睿科技：正寻求在A股IPO

矽睿科技成立于2012年，是国内MEMS传感器、磁传感器芯片主要厂商，是中国MEMS十强企业之一，国家级专精特新“小巨人”企业，中国具有影响力的传感器企业。2023年1月，矽睿科技进行首次公开发行股票并上市辅导备案，拟在中国A股IPO。

矽睿科技产品包括多款MEMS传感器，如六轴IMU、加速度计、环境传感器、组合传感器等；磁性传感器芯片，如磁力计、磁编码器、电流传感器、霍尔传感器等 ；及汽车与物联网智能模组和系统。

纳芯微：磁传感器成为公司业务新引擎

纳芯微成立于2013年，是高性能高可靠性模拟及混合信号芯片公司，聚焦传感器、信号链、电源管理三大方向，2022年4月在上海证券交易所科创板上市，是中国半导体MEMS十强企业，国家级专精特新“小巨人”企业。

纳芯微传感器产品线丰富，据其2022年度报告显示，纳芯微正发力磁传感器业务 ，推出了高精度、具有共模磁场抑制的磁角度传感器，广泛应用于汽车电子系统的方向盘转角、阀门开度检测等场景；推出了集成式电流传感器并规模发货，赢得众多客户认可；推出了车规线性磁传感器并进入试量产阶段，助力客户实现系统功能安全；磁开关、磁轮速传感器等方向研发进展顺利。

此外，2023年4月，纳芯微宣布与大陆集团旗下合资公司陆博就乘用车关键零部件磁轮速传感器本土化项目签署产品合作协议，推动磁轮速传感器本土化生产。

美新半导体：拥有20多年MEMS传感器研发生产经验

美新半导体成立于1999年，拥有二十多年的MEMS传感器研发及生产技术积累，是中国最早的IDM模式惯性传感器供应商之一，中国半导体MEMS十强企业。

美新半导体传感器产品主要有惯性传感器和磁传感器两条线 ，惯性传感器产品包括全球独有的热式加速度计、电容式加速度计、六轴IMU等；磁传感器包括AMR地磁传感器、低功耗霍尔开关等，其霍尔开关使用低功耗CMOS工艺，单个芯片内集成霍尔感应元件芯片。

赛卓电子：国内领先的车规级磁传感器芯片本土供应商

赛卓电子成立于2011年，在车规级磁传感器芯片领域具有多年自主研发经验，是国内领先的车规级磁传感器芯片本土供应商，国家级专精特新“小巨人”企业，其车规级磁传感器芯片产品已在比亚、上汽集团、长安汽车、长城汽车、吉利汽车、蔚来、理想等整车厂实现批量装车。

赛卓电子主要产品为磁传感器芯片，已形成速度传感器芯片、位置传感器芯片、电流传感器芯片三大产品线 ，广泛应用于汽车电子和工业领域。公司的ABS轮速传感器芯片、电子油门踏板位置传感器芯片以及新能源汽车电流传感器芯片等产品已通过AEC-Q100可靠性测试认证，其关键性能及可靠性指标参数达到或优于国际竞品水平。

此前，赛卓电子曾冲刺上海证券交易所科创板IPO，但在7月20日撤回IPO申请。

希磁科技：涵盖xMR晶圆到传感器模块的全产业链IDM厂商

希磁科技成立于2013年，是国内主要的磁性传感器厂商，采用IDM模式，拥有以磁学领域的多名专家为核心的超过100人的研发团队，涵盖了从xMR晶圆到传感器模块的全产业链的设计开发和规模生产，国家级专精特新企业。

希磁科技拥有电流传感器、磁性识别传感器、磁图像识别传感器、厚度检测传感器、齿轮传感器等丰富的磁传感器产品，旗下有无锡乐尔，宁波希磁，蚌埠希磁，德国Sensitec子公司，其中德国Sensitec是磁阻传感器和磁性微系统技术的全球领先厂商，2021年被希磁科技收购。

芯进电子：高精度线性霍尔传感器出货量居行业领先水平

芯进电子成立于2013年，是一家模拟和混合信号IC设计企业，其中霍尔传感器技术国内领先，是国家级专精特新“小巨人”企业。

芯进电子围绕霍尔传感器技术开发了速度位置传感器，高精度线性霍尔传感器，高精度电流传感器 等产品线。高精度线性霍尔传感器出货量居行业领先水平 ，光伏逆变器领域前10大工厂均在采用含有芯进产品的电流传感器模块。高精度单芯片电流传感器 已经广泛应用于光伏逆变器，OBC，家电和工业自动化等领域，出货量居同行业领先水平。

艾为电子

艾为电子成立于2008年，是一家芯片设计公司，专注于高性能数模混合信号、电源管理、信号链等IC设计，累计拥有42种产品子类、产品型号总计超1000余款。

在磁性传感器芯片方面，艾为电子主要为 5.5v 开关系列产品，并推出了线性 Hall 产品。

比亚迪半导体：车规级磁传感器生产商

比亚迪半导体是我国第一大新能源汽车企业比亚迪旗下子公司，主要从事功率半导体、智能控制 IC、智能传感器及光电半导体的研发销售。智能传感器涵盖 CMOS 图像传感器、嵌入式指纹传感器、电磁传感器。

电磁传感器产品线较为丰富，其中，车规级多合一电流传感器 可根据下游电机驱动控制器厂商的专业化需求进行定制化研发和生产，产品精度、线性度、响应时间均达到行业领先水平，拥有丰富的整车应用经验，产品性价比较高；角度速度位置类传感器 可以适应复杂的环境，实现高精度测量，非接触式的设计使得产品寿命更长、噪声更低。

麦歌恩

麦歌恩成立于2009年，是一家专注于以磁性感应技术为基础的芯片研发、生产和销售的高新技术企业，国家级专精特新“小巨人”企业。2019年，麦歌恩与矽睿科技整合 ，共享资源，并保持麦歌恩公司与MagnTek品牌的独立运行。

巨磁智能

巨磁智能成立于2013年，致力于磁电传感与控制芯片技术研发，从传感控制芯片的开发，到传感控制模块的开发、生产，再到基于物联网应用方案的开发，实现生态链内的多维度整合式创新。巨磁智能是国家级专精特新“小巨人”企业。

巨磁智能实现了对传感控制芯片技术壁垒的突破，填补了国内直流漏电传感控制芯片的空缺 。相对于国外芯片方案，巨磁智能拥有整套专利及自主知识产权，并已实现大批量的产品生产与交付应用到光伏、电网、电动汽车充电桩、航天等行业。

东方微磁

湖北宜昌东方微磁有限公司是中国船舶重工集团公司第七一〇研究所全资子公司，是一家致力于磁学计量和中国磁电产业发展的高新技术企业，建有国防科技工业弱磁一级计量站、磁电子技术国家地方联合工程实验室、湖北省磁电子工业技术研究院，拥有国内第一条MEMS磁传感器芯片生产线。

东方微磁的MEMS生产线2015年底全部调通，是国内首条可满足工业化生产的磁芯片生产线，保守产能为1000片/月 ，每年至少可生产月2亿颗芯片，共有溅射镀膜、光刻、真空、测试等设备进60台。

结语

随着国产替代浪潮的来袭，以及人工智能AI、人形机器人、自动驾驶、新能源等新技术变革对产业的深刻影响，传感器在其中发挥的重要感知作用日益得到重视。

目前，磁传感器、MEMS传感器、六维力矩传感器、柔性传感器、激光雷达、光纤传感器、光学/光电传感器等多个传感器细分赛道已经获得资本重视。

在资本的加持下，国产传感器企业将得到快速发展，提升竞争力，从而全面实现中国智造！

※本文部分资料来自中信证券公众号《联合｜磁传感器：无接触测量位置、速度、电流，同步受益于汽车智能化&电动化》文章。

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