揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

发布时间:2024-07-24 11:29
作者:AMEYA360
来源:网络
阅读量:900

  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有着广泛的应用。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经超过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。

  磁传感器技术、产品和市场概述

  磁传感器基于电磁感应原理,对位置、速度、电流等变量进行检测。如果按照技术原理来分,磁传感器主要分为霍尔(Hall)传感器和磁阻传感器两大类,其中磁阻传感器又可以继续细分为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检测,是目前磁传感器中最大的门类。主要原因在于,霍尔传感器发展历史悠久、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、灵敏度高,且具有无接触、无摩擦、无振动等优点,广泛用于汽车、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%。

  纳芯微四大磁传感器产品矩阵

  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、互联互通的‘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。

  ·速度传感器,主要是ABS轮速传感器。

  ·磁传感器调理芯片,用于xMR或GaAs霍尔传感器的信号调理。

揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

  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,这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,以及在产品开发与应用过程中积累的大量客户需求与应用经验,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。

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       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,为了实现产品的低噪声,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。

揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

       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,从而降低了霍尔传感器的零漂,这也能进一步提升产品精度。

       谢奔指出,“为了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,不受环境温度变化的影响,器件内的动态角度补偿、滤波器等则进一步提升了测量精度。

       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先地位,也进一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重点关注的方向。为了让产品能够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充分考虑了应力的影响,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否满足汽车应用的需求,在过孔数量、线宽、走线等方面都有非常严格的要求。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,同时也需要使用车规级电路的设计规则,采用车规晶圆,以及符合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(3σ)管理,进而保障产品无质量问题。

  纳芯微磁传感器的应用领域

  从应用角度来看,磁传感器的应用是非常广泛的,国计民生的各个领域都有涉及。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,集成式电流传感器主要用于汽车OBC、DC-DC;线性电流传感器主要用于汽车牵引电机的相电流与母线电流检测;角度传感器主要用于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/锁存器主要用于汽车座椅位置、车窗控制、天窗、尾门位置检测、车载电机换相等;速度传感器主要用于汽车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,集成式电流传感器主要用于工业变频器、电源、光伏逆变器等领域;线性电流传感器主要用于电流传感器模块等应用;工规霍尔开关主要用于家电、智能门锁、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/锁存器主要用于工业液位计、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。

       纳芯微磁传感器调理芯片主要用于xMR或GaAs霍尔的信号调理。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, 取而代之可以通过一键自动调教的方式自动寻找开关点,大幅提升了编程效率。

       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,降低人为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,从而大大提高开发效率并有效降低产品开发失败、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,主要应用于防抱死制动系统(ABS)、车身电子稳定系统(ESP)、自动变速器等控制系统。在这个案例中,纳芯微充分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。”


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2025-05-23 11:36 阅读量:343
从运动到感知,纳芯微磁传感器为人形机器人赋能
  纳芯微磁传感器技术为人形机器人运动控制提供了关键解决方案,其高精度磁角度编码器可精准检测关节位置和运动轨迹,赋予机器人更灵敏的感知能力和更流畅的运动表现。相关技术突破将推动人形机器人在通用关节和执行器等核心部件上的性能提升,为智能机器人产业发展注入新动能。  随着人形机器人技术的快速发展和市场化进程加速,其应用场景正从工业领域向消费级市场拓展。纳芯微凭借广泛的产品线布局,在这一新兴市场中占据了重要地位,其产品涵盖MCU、传感器(电流、电压、温度、位置)、栅极驱动、缓冲器、电池管理,以及通信、功放、监控和基准等芯片解决方案,能够为机器人系统提供完整的信号链支持。  纳芯微技术市场经理陈旭骅在2025CAIMRS AI+人形机器人研讨会上介绍,从当前主流人形机器人的结构来看,单台设备平均需配备71个磁编码器和90个电流传感器,具体需求拆解如下:  机械臂(自由臂):以七自由度机械臂为例,其7个关节每个关节的减速机前后均需1个编码器,单臂需14个磁角度传感器来实现电机运行及末端位置检测,双臂合计28个。同时需配套14个驱动器和28个电流传感器。  腿部和腰部关节:按四自由度保守计算,各需16个磁编码器;若包含腰部旋转和弯腰动作,则要额外增加4个磁编码器,总计20个。部分高端设计采用六自由度方案,进一步推升了传感器需求。  膝关节:针对爆发力要求高的跑跳动作,定制化膝关节动力电机通常配备4个磁编码器(每膝2个)。  灵巧手:目前国内外方案差异较大,海外有些灵巧手能实现十六、二十二自由度。国内市场比较常见的是6个空心杯为主的结构。拇指关节是一个二自由度结构,需要3个角度编码器(1个/空心杯电机+末端检测);四指关节基本上以4个空心杯电机为主,每指2关节配备2个末端位置检测编码器,总计12个。手腕类似腰部旋转结构,需额外的编码器支持。  电池管理方面:主流200A电池组需配置2个高精度电流传感器。视觉执行机构方案多样,通常需2-4个磁编码器实现精准定位。  纳芯微高精度与高可靠性传感方案  在角度传感领域,编码器技术经历了从电位器到光电、磁角度及电感式编码器的演进。目前,纳芯微聚焦于磁角度编码器和电感式编码器的研发与量产,其中磁角度编码器已广泛应用于工业及消费领域,而电感式编码器则在汽车EPS(电动助力转向系统)、扭矩传感等场景中展现优势。  纳芯微磁角度编码器采用非接触式设计,具备高可靠性、抗震、抗污染等特性,尤其适合动态环境。传统光电编码器对环境洁净度要求高,而人形机器人的跌落、碰撞等动作易导致其失效。相比之下,磁角度编码器不仅适应性强,还可实现17bit分辨率(精度达0.002°),且仅需单芯片+磁铁的简洁方案即可完成高精度检测,大幅降低系统复杂度。  纳芯微的磁编码器主要有三种不同的技术路线,可以覆盖全场景需求。首先是低成本的霍尔式磁编码器方案,适用于空心杯电机等对性价比敏感的场景。第二是AMR磁阻式编码器,具有高灵敏度,分辨率可达21bit,主要用于工控市场和机器人中的伺服电机,以及配合机器人行星减速机的多颗协同控制方案。第三是新兴的电感式编码器方案,适合中空走线或大电流场景(避免磁场干扰),目前已进入小批量阶段,未来将拓展至人形机器人关节等应用。  总之,纳芯微通过多技术路径布局,为不同精度、成本及环境要求的场景提供定制化解决方案,持续推动编码器技术在机器人领域的创新应用。  纳芯微磁编码器安装方式详解  磁编码器的安装方式主要分为在轴安装和离轴安装两大类。在轴安装是指电机轴、磁铁轴心和芯片轴心三轴同心的安装方式,它具有结构简单、精度稳定的特点。而离轴安装则是当前行业研究的热点,特别适用于需要中空结构的减速器应用场景,为人形机器人等新兴领域提供了更为灵活的解决方案。针对这两种安装方式,纳芯微开发了不同的产品系列,以满足多样化需求。  目前纳芯微有三款在轴安装磁编码器产品:MT6835(±0.02°)、MT6826S(±0.1°)和MT6701(±1.0°)。这三款产品的年出货量已达到500-600万片,广泛应用于步进电机和伺服电机领域。其中MT6701主要应用于空心杯电机等对成本敏感的场景;MT6826S和MT6835基于磁阻技术,凭借更高精度被用于伺服电机和行星减速机的多颗协同控制方案。  关于安装技术细节,在轴安装又可分为径向充磁和轴向充磁两种方案。径向充磁方案磁场发散较远,对安装距离要求较低;轴向充磁方案磁力线更为集中,适合1mm以内的精密安装场景,是纳芯微主推的方案。  离轴安装是一种创新方案,针对机器人行业对中空结构的需求,纳芯微提供三种离轴解决方案。一是集成磁头方案(MT6620),优势是集成度高,挑战是对磁铁的磁间距和安装位置要求较高;二是低成本方案(MT6709QC),其特点是通过外接磁传感器解码,通过自校准可将精度提升至±0.1°(匀速自校准)或±0.2°(简洁校准)。  第三种是电感式编码器方案(MT6901),其创新性在于,采用电感技术解决了中空走线干扰问题,能够有效规避EMC等信号干扰。这种双码道游标方案是当前市场主流的绝对值编码器,可广泛应用在机器人关节侧。  为了满足绝对位置的监测需求,纳芯微还推出了两种创新方案——单码道增量控制和M序列方案。单码道增量控制采用单磁环设计,通过中间的回零信号实现位置识别。该方案采用增量控制方式,虽然存在上电时存在噪声问题,但在工业场景中仍有广泛应用。  M序列方案则更为先进,融合光编理论创新而成。其工作原理是通过伪随机序列精确定位外圈对极位置,结合增量控制实现360°绝对角度测量。具体流程为:上电时读取内码道信号确定初始位置,然后通过增量方式进行机械控制,由芯片内部解析获得绝对角度信息。  上述两种方案各有特点:传统方案结构简单但存在噪声;M序列方案精度更高但增加了复杂度。两者均能有效满足绝对位置监测需求,可为不同应用场景提供灵活选择。  为满足不同精度需求,纳芯微开发了多种复合安装方案。其中,基础复合方案采用中间轴向充磁的在轴安装,外圈采用4颗传感器解码,特点是平衡成本与性能。高精度复合方案增加了中间磁铁屏蔽罩,能够有效隔离外部磁场干扰,提升测量精度。  纳芯微还在两个方案基础上开发了两种全中空离轴方案。其外部磁环随外转子旋转,内部磁环连接减速器电机端,采用8颗线性霍尔输出信号至解码芯片。通过增加磁屏蔽设计,其外圈精度可达0.2-0.3°,内圈精度可达0.8-1°。该方案的可靠性已在行业实际应用中得到了验证,完美解决了中空结构下的高精度测量需求。  纳芯微即将推出的MT6901电感式编码器将成为人形机器人关节的核心解决方案。该产品采用创新的三层电感技术,在定子两侧各配置一个转子,通过电磁感应实现双面信号采集,从根本上消除传统方案单侧感应的局限性。  虽然三块PCB的精密平衡存在技术挑战,但这一设计实现了内环套外环的感应方案,能够显著提升测量精度,完美解决中空走线的EMC干扰问题,特别适合需要高可靠性的机器人关节应用,从而推动整个机器人行业的技术升级。  纳芯微将持续拓展智能化边界  纳芯微通过持续技术创新,建立了完整的磁编码器解决方案体系,从传统在轴安装到创新离轴方案,从单一测量到复合安装,为工业自动化、人形机器人等领域提供了多样化的选择。特别是正在开发的MT6901电感式编码器,有望解决行业长期存在的中空走线的干扰难题,推动磁编码器技术进入新的发展阶段。  纳芯微的传感器产品已成功导入多家客户的人形机器人项目,在空心杯电机和通用关节领域实现了批量出货。与此同时,在四足机器人市场也取得了突破,多个项目进入量产阶段。作为国产传感器供应商,纳芯微将持续为机器人行业提供高可靠性解决方案,助力国产人形机器人把握市场机遇,实现技术突破。
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