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磁传感技术争奇斗艳,创新应用丰富多彩

日期: 2016-09-22
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2016年9月12日,『第十九届“微言大义”研讨会:磁传感技术及应用』在上海跨国采购会展中心3M3会议室隆重举办,一场展现磁性魅力的活动,吸引了120多位磁传感器领域的企业同仁,高校和科研机构的研究人员参与。八位嘉宾围绕各类磁传感技术、应用和市场发展等展开深入讲解。

『第十九届“微言大义”研讨会:磁传感技术及应用』成功举办

2016年9月12日,『第十九届“微言大义”研讨会:磁传感技术及应用』在上海跨国采购会展中心3M3会议室隆重举办,本次会议由麦姆斯咨询、中船重工第七一〇研究所、上海市物联网行业协会智能传感器专委会主办,并得到上海科技会展有限公司、中国传感器与物联网产业联盟、上海传感信息科技有限公司等单位的支持。一场展现磁性魅力的活动,吸引了120多位磁传感器领域的企业同仁,高校和科研机构的研究人员参与。八位嘉宾围绕各类磁传感技术、应用和市场发展等展开深入讲解,现场气氛十分热烈,嘉宾和参会者频频点赞。毫无疑问,“微言大义”研讨会已成为国内MEMS领域最有影响力的品牌会议。

人气爆满的“微言大义”会场

人气爆满的“微言大义”会场

一、磁传感器芯片产业化现状及应用介绍

演讲嘉宾:中船重工第七一〇研究所 磁传感器芯片事业部总经理 吴建得

吴建得先生介绍中船重工第七一〇研究所基本情况

吴建得先生介绍中船重工第七一〇研究所基本情况

吴建得先生首先介绍了中船重工第七一○研究所及东方微磁公司成立背景。七一○研究所始建于1958年,所总部位于湖北宜昌,在上海、三亚、武汉等地设有分部,是我国水中兵器、海洋工程、磁学专业骨干研究所,863、973项目研究单位,拥有国防弱磁一级计量站、院士专家工作站、1个博士后科研工作站、下设10个研究室、2个装备生产部、2个试制工厂和15家控股公司。为发展新产业、新技术,七一〇所投资成立了东方微磁公司,专门从事磁传感器芯片产业化工作。截至目前,七一○所已投资近2亿元,在湖北建有一条MEMS传感器芯片生产线,以此为依托,从事基于AMR/GMR技术的磁传感器芯片产业化工作。

东方微磁公司及磁电子高科技产业园

东方微磁公司及磁电子高科技产业园

东方微磁公司目前的主要产品:(1)GMR磁传感器芯片:由GMR磁敏材料构成惠斯通电桥,可对微弱磁场进行感应,输出电压信号。该产品可以检测±0.3~±4mT的弱磁场。灵敏度为普通的霍尔传感器IC的10倍数。(2)磁开关芯片:数字输出磁性传感器内部包含磁阻传感器芯片和ASIC处理,集成封装而成,磁开关芯片通过检测永久磁铁的磁感应强度可进行电平跳变。该芯片适用于开/关检测或灯亮控制(音响/冰箱/保险柜/汽车/舱门)的,液位开关,气缸行程位置控制、水表气表里程表转速表的计数等。(3)定制化磁芯片:GMR磁传感器芯片、磁耦合器芯片/小电流传感器芯片、磁编码器芯片等。

除了介绍上述典型产品,吴建得先生还详细介绍了MEMS传感器芯片6寸线的加工能力。该MEMS生产线经过多年的调试和运行,在2015年底工艺已全部打通,产品的成品率可以达到90%,目前对外开放代工业务。

最后,吴建得先生结合自身经历,给出了产业化发展难题。位于湖北宜昌的七一○研究所相比位于长三角和北京等大城市的研究所,主要的问题就是人才的吸引和保留,其它难题还包括如何进行市场定位、产品策略制定、资金来源等。当然,吴建得先生针对上述问题,也提出了自己的产业化发展思路,值得业界同行互相学习、交流和进步。

吴建得先生的磁传感器产业发展思路

吴建得先生的磁传感器产业发展思路

二、论高性能磁传感器在实际体验中的重要性

演讲嘉宾:PNI Sensor President & CEO Becky Oh

Becky Oh女士介绍PNI Sensor的基本情况

Becky Oh女士介绍PNI Sensor的基本情况

PNI Sensor是磁传感技术和传感器融合算法方面的领导者。PNI自有的“神奇算法”结合地磁场特性开发出一系列高性能的磁传感器,专注于国防、科学和消费类等方面的应用。

Becky Oh女士为大家介绍了PNI Sensor磁感式磁传感器的高性能表现,其不论在灵敏度、信噪比、功耗还是响应速度均较市场上常见的霍尔磁传感器优异很多。霍尔磁传感器的灵敏度为300nT,而PNI公司的产品却高达13nT;霍尔磁传感器的信噪比在500nT左右,而PNI公司的产品为15nT;霍尔三轴传感器在8赫兹工作时的功耗为在280μA,而PNI公司的产品在同等工作条件下却低至70μA。因此称PNI Sensor产品为高性能磁传感器毫不为过。

主流霍尔磁传感器和PNI Sensor磁感式磁传感器的性能对比

主流霍尔磁传感器和PNI Sensor磁感式磁传感器的性能对比

同时,Becky Oh女士还介绍了这款产品在运动捕捉、室内导航、智慧停车的应用实例和表现参数。(1)运动捕捉要求传感器有更高的信号捕获能力和更好的融合算法来弥补传感器本身的不足之处。陀螺仪有角度偏移、饱和后对旋转速率限制等问题,加速度计有噪声和抖动问题,而磁传感器有磁干扰问题。PNI公司融合卡尔曼(Kalman)滤波技术的高性能磁传感器能有效解决上述问题,性能表现接近理想的理论值。(2)室内导航和行人跟踪:Becky Oh用在一栋7层商场中在同楼层行走、从第2层到第6层行走的两个跟踪案例讲解了PNI Sensor产品的实际表现。高分辨率的磁传感器加入传感融合算法后,避免了普通传感器出现的180度导航误差的问题。(3)智能停车:PNI Sensor的磁传感器结合其多节点空间算法,总功耗为18μA。此技术能有效解决城市拥堵,是最有效的停车资源管理方案。

三、AMR技术及其应用

演讲嘉宾:美新半导体 研发总监 蒋乐跃

蒋乐跃先生介绍美新半导体概况

蒋乐跃先生介绍美新半导体概况

蒋乐跃先生主要讲解内容有:(1)美新半导体公司情况介绍:美新半导体成立于1999年,总部位于美国马萨诸塞州安多弗。2007年在纳斯达克上市,成为全球第一家以MEMS技术上市的公司。美新半导体原创开发了基于标准CMOS流程的集成微机电系统和全球领先的制造工艺和测试技术,并成功研发出多种型号的加速度计、流量传感器、地磁场传感器以及多种基于MEMS传感器的气体流量仪表系统产品。(2)AMR技术:美新公司磁传感器采用各向异性磁阻(AMR)原理,工艺上采用沉积一层坡莫合金的MRS磁条,并在MRS上沉积一层与MRS呈45度夹角的导电线圈(BBP),组成惠斯通电桥作为信号探测电路。美新半导体是国内首家拥有专业磁传感器6英寸制造线的公司,已开发出小尺寸、低功耗、高性能的高度集成3轴地磁传感器。(3)AMR磁阻传感器的应用:电子指南针、电流传感器、地磁车辆检测、角度&距离检测、其它磁场测量领域。

美新AMR磁传感器产线工艺能力介绍

美新AMR磁传感器产线工艺能力介绍

四、芯片电子产业东移与国内磁传感器的发展机遇

演讲嘉宾:矽睿科技 副总监 邹紧跟

邹紧跟先生介绍磁传感器的基本应用

邹紧跟先生介绍磁传感器的基本应用

邹紧跟先生谈到:汽车电子和消费电子仍是磁传感器的主要两大市场,市场份额占90%左右。而这两部分的市场和生产都在往中国转移,中国的企业面临巨大的发展机遇。中国作为在磁传感器领域最接地气的国家,更接近市场,更接近需求,能更快地响应市场需求。目前全球前十大传感器供应商大部分都采用IDM模式,因此矽睿采用虚拟IDM模式,持有部分8寸线自主生产设备和自有工艺开发,轻资产、低折旧,旨在拥有高性能和有价格竞争力的产品,在磁传感器市场东移的过程中得到长期发展。

邹紧跟先生介绍了矽睿科技的技术发展历程:2013年第一款3x3 mm2的AMR地磁传感器QMC5983问世,到2016年新一代AMR地磁传感器QMC8983尺寸缩小到1.2x0.8mm2,从2015年起公司涉及类工业磁开关和角度传感器等领域。客户路线也由最初的小品牌IDH发展到大品牌客户。矽睿近几年发展较快,在2015年12月成功获得融资,发展模式值得业内借鉴和探讨。

矽睿科技的产品路线图

矽睿科技的产品路线图

五、移动装置应用之新世代磁传感芯片

演讲嘉宾:爱盛科技 传感器研发资深经理 袁辅德

袁辅德先生讲解VR游戏对磁传感器灵敏度和分辨率的要求

袁辅德先生讲解VR游戏对磁传感器灵敏度和分辨率的要求

来自宝岛台湾的爱盛科技股份有限公司(iSentek Inc.)创立于2011年6月,为运动传感器无晶圆厂半导体设计公司。主要核心技术为MEMS传感器芯片设计与销售,该公司也进行相关算法的开发及客户应用的支持,以提供客户完整和实时的运动传感器解决方案。磁传感器产品为AMR技术,采用委外代工模式。

袁辅德先生针对磁传感器在传统市场和新兴市场上的应用差异进行了详细讲解。磁传感器作为电子罗盘在传统市场上主要应用在智能手机上,精确度的总误差由磁传感器本身误差和手机系统误差组成。由于智能手机本身磁干扰较大,因此会掩盖磁传感器的问题。但新兴市场如无人机、虚拟现实(VR)等,对传感器的精准度、反应速度、信噪比等要求均大大高于传统的电子罗盘应用,差之毫厘的定位误差就会导致无人机不能按指定线路飞行,用户体验大打折扣。

袁辅德先生提出了新一代磁传感器的性能要求定义:1. 超低磁滞(0.01%);2. 噪声小(<0.01μT);3. 灵敏度高(0.1μT);4. 高带宽(1kHz);5. 抗干扰能力强。最后他提出:传感器的发展应以为人类带来新的生活体验的理念!

爱盛科技磁传感器优异的噪声表现

爱盛科技磁传感器优异的噪声表现

六、如何打开传感器芯片应用尴尬局面和电流传感器技术市场趋势

演讲嘉宾:兴工微电子 产品总监 钟小军

钟小军先生介绍电流传感器的分类及优缺点

钟小军先生介绍电流传感器的分类及优缺点

兴工微电子是一家成立于2013年的初创型公司。钟总监的报告主要有以下几部分:(1)主要电流传感器种类及其优缺点:A. 电阻分流器:优点是结构简单、价格便宜,但是功耗高;B. 交流互感器:优点是成本低、精确度高,但响应速度慢且适用于交流电;C. Isolator+ Rshunt:优点是直流电和交流电都适用且线性度高,但功耗高并需要复杂的外围电路;D. 霍尔效应开环电流传感器:结构简单、功耗低,又适用交流电和直流电,但是磁滞现象严重,精确度和响应速度表现一般;E. 霍尔效应闭环电流传感器:工作温度范围内精确度高且具有良好的电磁兼容性,但是功耗高,成本高。(2)兴工微电子选择基于霍尔技术的电流磁传感器的缘由。作为一家无晶圆厂设计公司,霍尔电流传感器是当前使用最广泛、成本最低、集成度最高的磁传感器,对初创公司来讲门槛较低。(3)目标市场:消费电子和工业传感器市场是成熟的市场,将来新能源市场将是霍尔电流传感器的巨大增长点。

新能源市场将是霍尔电流传感器的巨大增长点

新能源市场将是霍尔电流传感器的巨大增长点

七、基于微压铸成型技术的MEMS磁通门器件初探及应用研究

演讲嘉宾:上海微系统所 助理研究员 顾杰斌

顾杰斌博士介绍磁通门传感器的典型应用

顾杰斌博士介绍磁通门传感器的典型应用

顾杰斌博士首先介绍了磁通门传感器在军事、生物、民用、医疗领域的应用。传统磁通门的制作通过在高磁导率的铁芯上进行线圈的机械缠绕来完成,这就使得磁通门存在诸如体积和质量偏大、装配误差大、生产成本高、空间分辨率差等问题。这些固有缺点很难消除,极大的限制了磁通门在一些场合下的应用,比如小型无人机、小型卫星、便携式设备、微型电子罗盘、小型电流传感器等等。利用MEMS技术将磁通门传感器微型化非常必要!

顾杰斌博士接着介绍了上海微系统所与宁波中车时代传感合作的项目:TSV技术实现MEMS磁通门传感器。报告探讨了各种金属膜和TSV的工艺实现方式,最后选择了基于表面张力现象的微压铸成型技术设备来实现磁通门传感器的微结构。并向大家展示了一次成型螺旋管线圈的实验结果。

由于微型磁通门传感器的热量集中在很小的面积上,功耗没有显著降低,且MEMS工艺制备的铁芯性能普遍较差,使得微型磁通门的灵敏度偏低、噪声高。目前在国内MEMS磁通门传感器还处于研发阶段,国际上也只有极少的公司已经量产。因此,如何微型化的同时得到功耗低、灵敏度高、噪声小等性能优异的MEMS磁通门传感器还需要科研机构和企业共同探讨,共同进步!

微压铸成型技术实现的三维螺线管线圈形貌

微压铸成型技术实现的三维螺线管线圈形貌

八、结合RF TSV及磁芯的片上电感线圈

演讲嘉宾:Silex Microsystems 中国区代表 覃裕平

覃裕平先生讲解Silex Microsystems的磁芯结构设计和工艺

覃裕平先生讲解Silex Microsystems的磁芯结构设计和工艺

覃裕平先生首先介绍了Silex Microsystems公司情况。Silex Microsystems是全球最大的纯MEMS代工厂,已有一条每年40万次光刻的6寸线和一条每年100万次光刻的8寸线,并计划在北京亦庄再新建一条8英寸生产线。Silex Microsystems代工成功的产品非常丰富,涵盖加速度计,陀螺仪,压力传感器,流量传感器,MEMS麦克风,滤波器,射频开关,微电池,微镜,CMOS互联中间层等等。

做为通用工艺创新领导者,Silex Microsystems拥有Sil-Via(整个晶圆厚度的TSV)技术,整个晶圆厚度的铜或金TSV的Met-Via技术和全球少有的Sol-Gel PZT生产解决方案。其中Sil-Via技术首次应用是作为MEMS麦克风的2.5D互联中间层,已量产十年。Met-Via技术采用空心结构,解决了金属与硅的热失配问题,部分填充也确保了产品的高可靠性。集成磁芯采用4nm AlN/50nm SiO2/4nm AlN + 4*100nm NiFe/8nm AlN + 500nm SiO2多层结构。目前多层磁芯结构还在调试中,期望在未来几年得到量产。

3D片上电感,多晶硅电阻,MIM电容集成结构示意图

3D片上电感,多晶硅电阻,MIM电容集成结构示意图

『第十九届“微言大义”研讨会:磁传感技术及应用』在嘉宾的激情演讲和参会者踊跃发言交流中落下帷幕。“微言大义”研讨会为企业、科研机构等提供了一个开放的交流平台,在会议上大家各自分享在磁传感器技术开发、企业发展、市场开拓等方面的经验与心得,收获颇丰!美好的时光总是令人感觉易逝,如果您想继续学习丰富的MEMS和传感器干货,请关注麦姆斯咨询微信公众号(MEMS)。




来源:麦姆斯咨询 

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