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confidential
日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品
MIセンサの開発と電子コンパス・
磁気ジャイロへの応用
１章
2章
3章
４章
５章
MIセンサ とは
MIセンサの要素技術の進歩
MIセンサを利用した電子コンパスの開発
磁気ジャイロとモーションセンサ
将来展望
2014年７月11日
本蔵義信
マグネデザイン(株)
日本磁気学会 副会長
confidential
Development History on MI Sensor
電子コンパス
MIセンサ発明
80
85
90
00
95
Develop of MI Sensor
Study of Amorphous WireMEMS type MI elemnt
research of
Amorphous Wire
Prof. Masumoto
invention of
MI sensor
amorphous
wire
20μ
10
携帯電話用E-compass
1世代
２世代
３世代
ｺﾝﾊﾟｽ単体 G-ｾﾝｻ融合
Development of
MEMS type MI element
Prof. Mohri
Fig.1Fe-Co base Amorphous wire
MI sensor circuit
human
hair
150μm
05
MEMS type
MI element
Amorphous Wire 20μ
0.9mm×0.5mm
Gyro融合
E-Compass,
nT sensor
Electronics
compass
2×2×1㎜
対象磁界
confidential
弱い← 磁場強度（Gauss） →強い
pT
10-10
10-8
nT
10-6
生体磁気
μT
10-4
10-2
地球磁気
mT
G 0
10
T
102
104
106
工業用磁気
Wire長さで調整
MIセンサ
FGセンサ
ホールセンサ
MRセンサ
confidential
2012.8.30
産官学連携功労者
文部科学大臣賞
Development of electronic compass and motion sensor
with the use of MI sensor.
4
新しい磁気センサとその応用
トリケップス(株)
監修
毛利佳年雄
名古屋大学名誉教授(公財)名古屋産業科学研究所上席研究員
執筆者（担当章順）
毛利佳年雄：名古屋大学名誉教授
安藤康夫：東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻教授
本蔵義信：愛知製鋼株式会社専務取締役技監
大兼幹彦：東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻准教授
内山剛：名古屋大学大学院工学研究科電子情報システム専攻准教授
野々村裕：株式会社豊田中央研究所パワーエレクトロニクス研究部
MEMSデバイス研究室担当次長
confidential
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日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品
MIセンサの開発と電子コンパス・
磁気ジャイロへの応用
１章
2章
3章
４章
５章
MIセンサ とは
MIセンサの要素技術の進歩
MIセンサを利用した電子コンパスの開発
磁気ジャイロとモーションセンサ
将来展望
2014年７月11日
本蔵義信
マグネデザイン(株)
日本磁気学会 副会長
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Fig.2 Principle of MI sensor
7
特異な磁区構造のアモルファスワイヤに、ナノ秒のﾊﾟﾙｽ通電時
の驚異的な磁化変化をﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟｺｲﾙで検出
Magnetic Field
Pulse current
Circular aligned spin
0.5 ns
10ns
2 nm
Output voltage
0.5GHz 80mA
a
Z
Rdc 1  j   H exω
2 2
アモルファスワイヤの製造方法
confidential
テンション・アニール
confidential
結晶化温度と焼鈍温度
confidential
475℃ 530℃
confidential
アモルファスワイヤのスピン配列構造
11
Co-Fe－B-Si合金、磁歪ゼロ＋tension annealing
外部磁界 H
V
パルス電流
outer shell
intermediate
inner core
：1n秒
a
μ
表面：１nm
domain wall
Ks
Ki
Kc
confidential
M/Ms
1.5
as-cast
1
0.5
0
-2400-1600-800 0
-0.5
800 16002400
H (A/m)
pick up coil voltage
(mV)
Fig.5 Magnetic Properties of amorphous wire
12
2000
as-cast
1500
1000
500
0
-2400-1600--800 0
-500
800 1600 2400
H (A/m)
-1000
-1
measured
by VSM -1.5
a) Longitudinal Magnetic Property
-1500
Measured
by MI sensor
-2000
b) Circular Magnetic property
confidential
MIセンサの進化
13
①00年 機械式コイル巻き
coil : 40 回 S=9mm^2
②08年 MEMS coil type
coil : 15 回
0.3mm
Pickup
coil
S=0.18mm^2
Amorpho
us wire
3.0mm
0.6mm
Coil terminal
Source terminal
③14年微細MEMS coil type
coil : 42 回 S=0.04mm^2
0.２mm
0.２mm
3.0mm
confidential
Fig.6 MI element with 30μm coil pitch
0.6mm
wire
14
0.2mm
coil
0.2mm
0.3mm
Wire
terminal
Coil
terminal
Fig.6 MI element with 30μm coil pitch
Fig.6 fine pitch MI element
with 5μm coil pitch
confidential
15
0.25
0.2
センサ出力(V)
0.15
0.1
0.05
捻りあり
0
捻りなし
-0.05
-4
-2
0
2
4
外部磁場(Oe)
図 ６ アモルファスワイヤの磁気特性に及ぼす接合歪の影響
confidential
Fig.7 Impedance detection circuit with Negative Feedback Circuit
Fig.3 Symmetry Output Voltage of wire impedance
Pulse
Generator
Signal processing
S/H circuit
E-out
MI element
Bias coil
feedback coil
Negative Feedback
16
Fig.8 Coil Voltage detection circuit with pulse annealing
Fig.4 Linear Output voltage of pickup coil
control
Pulse
Pulse
Generator
Signal processing
S/H circuit
Analog SW
E-out
MI element
Vdd
Fig.8 Coil Voltage detection circuit with pulse annealing
confidential
17
パルス波形
confidential
voltage (V)
•ナノ秒レベルの励磁パルス・応答パルスを利
用
0.6
0.4
0.2
0
MI current
at -3gauss
at 0 gauss
at +3gauss
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-10
0
10
20
time (ns)
30
40
出力特性
confidential
• 検知範囲：±4G ・感度：500mV/G
• 直線性 0.03%FS ・分解能：0.5mV
output voltage (V)
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
external magnetic field (Oe)
4
5
confidential
図３－１０ 直線性・温度特性・測定レンジ
400
output出力電圧(V)
voltage (V)
300
200
100
0
-100
85℃
-200
出力電圧(-40℃)
出力電圧(0℃)
出力電圧(30℃)
出力電圧(50℃)
出力電圧(85℃)
-300
- 40℃
-400
-6
-4
-2
0
2
4
外部磁場(G)
external magnetic
field (G)
6
confidential
Fig.9 Miniaturization from AMI304 to AMI306
0.6mm
0.5mm
Area 1/3
Coil pitch：30μm,diameter：40μm
970um
XVREG
VD3_A
VCM_C
XV_TEMP
PICKUP_C
VSSMI
ASIC
PL0505
DRV_C
PICKUP_C 1
VCM_C 2
DRV_C 3
VSSMI 4
VSSMI 5
DRV_B 6
VCM_B 7
SRES1 9
SRES2 10
SRES3 11
PICKUP_B 8
Coil pitch：50μm,diameter：100μm
0.3mm
PICKUP_B
32 PICKUP_A
VCM_B
27 VD_A
Area 46％
1620um
29 VSSMI
28 VS_A
2 mm
31 VCM_A
30 DRV_A
DRV_B
VSSMI
VSSMI
DRV_A
XCLK
TESTJ
DVDD_IO
I2C_AOPT
DGND
INT
DRDY
VDD_D
SCK
SDA
RSTJ
26 XVREG
25 VD3_A
24 SCANJ
VCM_A
PICKUP_A
VS_A
VS_A
23 TESTJ
VD_A
22 XCLK
VPP
Y axis
capacitor
4 mm
2mm
Z axis
4 mm
X axis
1.1 mm
21 DGND
20 I2C_AOPT
19 DVdd_io
18 SDA
17 SCK
16 DRDY
15 INT
14 VDD_D
13 RSTJ
12 VPP
2 mm
Sensor
Assembly
PL0515
1.7 mm
MI-element
AMI306 in 2010
AMI304 in 2008
0.9mm
Area 1/4
2.mm
MI element
ASIC
confidential
22
■
With Negative Feedback Circuit
■ Without type since 2002
Signal processing
P/H circuit
Signal processing
P/H circuit
control
Pulse
Generator
Analog
SW
Pulse
Pulse
Generator
Analog
SW
E-out
MI element
MI element
Feedback
図19 負帰還回路の省略
7mA / G の負帰還電流を省略
Vdd
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磁気ジャイロへの応用
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MIセンサ とは
MIセンサの要素技術の進歩
MIセンサを利用した電子コンパスの開発
磁気ジャイロとモーションセンサ
将来展望
2014年７月11日
本蔵義信
マグネデザイン(株)
日本磁気学会 副会長
自動車用電子コンパス
confidential
FGセンサ活用 正確さ5度以下
携帯電話用コンパス
60mm
24
confidential
1世代
Product No.
携帯電話用電子コンパス
25
Aichi Steel
Hitachi Metals
Asahi kasei
YAMAHA
Honeywell
Sensation
AMI201
HM55B
AK8970N
YAS529
HCS01
AM-45P
MI sensor
AMR sensor
Hall sensor
GMR sensor
AMR sensor
FG sensor
2
2
3
3
3
2
2×2×1mm
6.5×6.5×1.2
mm
8.5×8.5×1.4
mm
Appearance
Principle
No. of axis
size
3.1×3.4×0.8
mm
Magnetic
resolution
2mG(5mG/bit)
10mG/bit
10mG/bit
6mG/LSB
-
10mG
Azimuth
accuracy
±3°
32 direction
（11.25°）
32 direction
（11.25°）
±5°
±3°
32 direction
（11.25°）
0.1msec
(Analog)
30msec
(Digital)
38msec
(Digital)
10msec
(Digital)
(Digital)
30msec
(Digital)
Measuring
time (output
type)
5.3×4.6×0.85 5×5×1mm
mm
confidential
MIセンサを使った２軸電子コンパスAMI201
外形寸法
3.1×3.4×0.8mm
MI sensor chip (X axis)
26
02年米国Sensor ExpoでSilver賞を受賞
0.5mm
2D Type
1.5mm
1.5mm
L/S：25/25μｍ
IC
MI sensor chip
(Y axis)
confidential
AMI201 回路ブロックダイヤグラム
27
XYin
Pulse
generator
CS
Sample hold
Timing signal
generator
Differential
Amplifier
Power
regulator
Y axis
sensor
X axis sensor
OUT
VDD
SGND
PGND
confidential
MIセンサを使った携帯電話向け電子コンパスの開発経緯
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008 2009 2010 2011 2012 2013 201４ 201５
第１世代の電子コンパス
磁気センサのみ 3軸
第２世代の電子コンパス
（3軸加速度センサと
6軸Fusion)
モーションセンサ
2002年米国センサ展
：銀賞
2006年米国センサ展
：金賞
第３世代の電子コンパス
（加速度センサ、
MEMジャイロと
９軸Fusion)
2013年米国センサ展
：金賞
28
市販されている主な電子コンパス（第2世代）
confidential
29
Sensor principle
MI
Hall
MR
GMR
product
AMI306
AKM8974
HMC5843
YS525
Specific item
Target Spec.
Aichi Steel
Asahi
Honywell
Yamaha
Hard Accuracy
<2.5 °
0.6
2°
2°
2°
Total accuracy
<10 °
<10 °
<10 °
<10 °
<10 °
Noise level (σ）
<10mG
2 mG
11 mG
５ mG
2 mG
Measuring range
±12G
±12G
±12G
±8G
±８G
resolution
<６mG
1.5 mG
6 mG
6 mG
6 mG
2
Measuring time
<20ms
0.5 ms
7ms
7ms
10ms
3
Current
consumption
<1mA @50Hz
0.15mA
0.9mA
0.95mA
2mA
4
Size ×height
4×4×1.0mm
2×2×1
2×2×0.8
4×4×1.35
2×2×1
9
Temp. stabilty
(-20 to 85℃)
Offset
<50mG
50mG
Max3mG/℃
150mG
100mG
200mG
Magnet shock
of 1KG
Origin Offset
<50mG
<30mG
1000mG
100mG
broken
1
10
confidential
AMI30６の外観、内部構造およびMI素子
0.3mm
30
ASIC
0.6mm
0.6mm
a)センサ外観
サイズ：2×2×１ｍｍ
b)内部構造
0.7mm
コイル巻き数：1６回
confidential
３軸電子コンパスAMI306の回路ブロック図
-
NC
3ch switch
12bit ADC
Low current consumption
Mini-CPU＋hardlogic
Temperature offset
X-axis
MI-Sensor
NC
NC
Y-axis
MI-Sensors
MI-Sensor
Data
NC
NC
4mA → 0.25mA
1.0µF
Circuit for
Dropout
Regulator
PGA
6bit DAC
Thermal
Sensor
NC
Vpp
For Factory
Calibration
OTP-ROM
AVDD
12bit AD
Converter
MI-Sensor
256 Words
C1
0.47µF
VDD
AGND
Z-axis
NC
31
Hardware
Logic Circuit
C2
0.01µF
DVDD
VID
DGND
INT
DRDY
Serial I/F
(I2C)
SCL
R1_3.3k
SDA
R2_3.3k
confidential
Fig. 10 How to measure Azimuth Accuracy showing the performance of
MI sensor type and Hall sensor type
0.2
0
0.4
tH ｙ(G)
16
Hy [G]
32
ｂ) Hall sensor
type
0.2
0.0
0
-16 -0.2
-0.2
-32 -0.4
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
Hx [G]
-0.4
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
Hx (G)
2) Azimuth Error
through 360 degree rotation
b) Hall sensor type
a) AMI306(MI sensor)
Azimuth Error [degree]
10
Error ±0.6degree
Resolution ±0.8degree
4
0
-4
-10
0
10 Error ±1.7degree
Amimuth error(deg.)
Hy [A/m]
1) Measured raw data of
Hx and Hy
a) AMI306(MI sensor)
0.4
Resolution ±2.1degree
4
0
-4
120
240
360
Azimuth [degree]
-10
0
120
240
360
Azimuth(deg.)
confidential
基板上の磁界分布 （磁性材料の影響）
33
X-axis Magnetic Spectrum
Soft magnetic parts: make ellipsoidal
Hard Magnet: shit origin
Data Output
Ideal Output
ソフト磁性部品は楕円歪をつくり、磁石は原点オフセットを作る。
磁界校正プログラムは楕円形状に歪んだ測定値を原点中心の真円に変換する
(
x A 2
yB 2
zC 2
) (
) (
) 1
a
b
c
＊楕円の傾き補正も必要
confidential
8 字モーションによる原点・感度校正
(
34
x A 2
yB 2
zC 2
) (
) (
) 1
a
b
c
Magnetism(mGauss)
600
400
200
Hx
Hy
Hz
0
-200
-400
-600
0
a) 8 字モーション
1
2
3
Time(sec.)
4
b) XYZの3軸データ
5
6
Fig.11 Internal structure of 6 axis Fusion sensor
fusion sensor with magnetometer and accelerometer
Z axis MI element
Y axis MI element
ASIC
accelerometer
size:
3.0× 3.0 ×1.1mm
X axis MI element
■ Internal structure
confidential
35
confidential
Fig.12 the circuit of 6 axis Fusion sensor
confidential
3次元方位計 全方位・姿勢がわかる
地球は２つのベクトルを有するので、その測定により3次元方位が測定可能

G  G x , G y , Gz 

M  M x , M y , M z 
測定値
センサ座標系
と地球座標系の関係
 
'
G M
  ( Ex , Ey , Ez )
（東） e x  
|G M |
' ' '
（北） e y  e x  e z  ( Nx, Ny, Nz )

'
G
（鉛直）e z    (Ux, Uy, Uz )
|G |
  
ex e y ez
1
A  0
0
0 0
1
0
A=RE
  
e x' e y' e z'
 Ex
0  E   Ey
1 
 Ez
Nx Ux 
Ny Uy 
Nz Uz 
R( ,  ,  ) : ( Roll :  , Pitch :  , Yaw :  )
confidential
Max Azimuth Error(deg)
方位誤差に及ぼす傾斜の影響
38
Pitch 90deg.
Pitch
angle
Pitch 60deg.
Pitch 45deg.
Pitch 30deg.
方位誤差
±1.5 deg.
方位分解能
0.5 deg.
2deg.
Pitch 0deg.
0
45
90
135
180 225
Azimuth(deg)
270 315
360
confidential
3軸の姿勢（方位、ロール、ピッチ角）を検知
精度2°（規格は3°以下）
1500
ROLL
規格：5以下
500
z
1500
ΔS：
球面画素
YAW
0
2
4
1000
6
8
10
12 規格：5以下
14
16
規格：5以下
方位誤差(deg.)
y
500
1500
xx
PITCH
0
0
2
4
6
1000
8
10
12
14
16
規格：5以下
方位誤差(deg.)
頻度(pcs)
0
頻度(pcs)
頻度(pcs)
1000
姿勢ベクトルの指示方位
方位、ロール、ピッチ
500
0
0
2
4
6
8
方位誤差(deg.)
10
12
14
16
球面画素数について
→5軸3万
→6軸30万
→07年ﾓﾃﾞﾙ：100万画素
→14年ﾓﾃﾞﾙ：500万画素
confidential
ARサービスの例（星座ナビ）
全天空星座マップ
3次元方位計
40
confidential
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磁気ジャイロへの応用
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MIセンサの要素技術の進歩
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本蔵義信
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モーションFusionセンサの市場拡大 年15億個
confidential
スマホに標準装備
6軸Fusion
電子コンパス＋加速度センサ
3×3×１ｍｍ
三次元方位姿勢
動き（回転＋直進）
Before correction
After correction
250m
confidential
磁気ジャイロの開発の狙い
アイデア： 高性能の電子コンパスを使えば 磁気ジャイロ を実現できる
■先行システム：９軸センサ
３軸
磁気センサ
合計 $3
３軸
加速度センサ
＋
$0.5
＋
現行の9軸Fusion
サイズ：4×4×１ｍｍ
消費電流：4.8mA
３軸
MEMSジャイロ
$0.5
$2
４
１
４
４
■ 新提案：６軸センサ
合計 $１
３軸
磁気センサ
＋磁気ジャイロ
＋
３軸
加速度センサ
2.
0.6
2.
小型化
低消費電流化
低コスト化
磁気ジャイロ6軸Fusion
・サイズ：2×2.×0.6mm（１/4以下）
・消費電流：0.3mA (1/10以下）
・低コスト化：1＄ （１/３以下）
４
confidential
有限回転モデルの磁気ジャイロの原理
（回転軸が安定している場合に対応）
センサが右回転すると、磁気ベクトルは左回転、回転速度は同じ
微小時間Δt 内で、微小磁界変化量ΔHが測定できれば、角速度ωを求めることができる。

H２
θ
O‘
２θ
H１
H0
O
問題点： 固定軸回転軸が変動すると追従できない
Rotation
angle θ
confidential
無限小回転モデルの磁気ジャイロの原理
（回転軸が変動する自由回転に対応）
無限小回転運動の方程式
問題点：無限小回転では回転軸が定まらない
z
磁気ベクトルの無限小回転方程式に拡張
x
Hｙ
ω ＝（ ωｘ、ωｙ ωｚ ）
Hz
Hｘ
ωz
ω
ωy
ωx
H0θ
H1
H
M
Hｘ
Hｙ

 (t )
M：geomagnetism vector
H0 ：rotation radius
R

A
もし仮定が正しいなら、b=0, c=0
仮定に微小なヅレがあると、b=ε１, c=ε２
：角速度ベクトル
b=0,
：回転マトリックス
c=0になるように座標変換（ΔθとΔφ）して、
正しい回転軸
を求める
：姿勢ベクトル
confidential
電子コンパスの基本性能 ノイズと測定時間
磁気ジャイロは、ホールセンサの1万倍、MIセンサの100倍の性能アップを要求
Hall
sensorSemiconductor
Noise σ ΔH（mG）
10
Magnetometer
MI sensor
AMI306
1
MR sensor
AMI307
0.8ｍＧ 0.5ｍsec
Sampling time 8ms
Target
0.1 0.１ｍＧ 0.1ｍsec sampling time 1 ms
1
10
0.1
Measuring time ： Δt (ms)
confidential
検証 磁気ジャイロ試作機の作製
● demo 機の 構成
・ 電子コンパス： MIセンサタイプ
磁気ノイズ ０．８ｍG サンプリング ８ｍｓ
・ 加速度センサ （比較：MEMSジャイロ）
・ マイコン：Atmel の ミニマイコンUC3
250Kbite, 32bit, 66MHz
● demoプログラムの構成
①地磁気と重力測定値を使った
姿勢計算プログラム
②磁気ジャイロプログラム
③リアルタイム姿勢計算プログラム
confidential
Ｔａｂｌｅ Z軸回転
ノイズを抑制 ｍGyroの方が 方位が滑らか （姿勢計算の度合いを強めているため）
低速側では、姿勢がベスト、 MEMSｇｙｒｏでも低速側は苦しい
1200
1000
800
600
400
200
0
-200 0
-400
-600
-800
-1000
MEMS_z[deg/sec]
200
400
w4_x
600
w4_y
800
w4_z
1000
1200
1400
1200
1400
400
yaw
350
MEMS_yaw
300
250
200
150
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
フリーハンド
x軸回転
方位変化で性能確認
confidential
角速度
1000
800
MEMS_x[deg/sec]
w4_x
600
400
200
0
1100
-200
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
-400
-600
-800
-1000
方位変化 ＭＥＭＳは静止タイミングが不安定 ジャイロから姿勢への変化
磁気ジャイロは計算途中で、融合を実施している
100
方位変化
50
0
1100
-50
-100
-150
pitch
MEMS_pitch
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
confidential
confidential
confidential
日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品
MIセンサの開発と電子コンパス・
磁気ジャイロへの応用
１章
2章
3章
４章
５章
MIセンサ とは
MIセンサの要素技術の進歩
MIセンサを利用した電子コンパスの開発
磁気ジャイロとモーションセンサ
将来展望
2014年７月11日
本蔵義信
マグネデザイン(株)
日本磁気学会 副会長
confidential
53
図1 平板基板タイプMIセンサ素子
に用いるV溝構造Si基板の模式図
図3 V溝を越えて形成したピッチ5.5m
のライン-アンド-スペースパターン
図4 拡大したV溝段差部
confidential
モーションFusionセンサの開発動向
6軸Fusion から9軸Fusionへ
リアルタイム性の改善
電子コンパス＋加速度センサ＋ジャイロ
標準搭載は停滞
MEMSジャイロ の問題点
・ 原点ドリフト
・ 高価
・ 消費電力 大
・ サイズ 大
スマホ
タブレット
ゲーム
リモコン
腕バンド
（健康モニータ）
9軸Fusionセンサ
4×4×1mm
confidential
Future progress of MI sensor
10-12
(pT)
Weak
Field
0.2nT
1μG
Biomagnetism
10-9
(nT)
1mG
Nano-particle
Pico-Tesla
Sensor
10-6
(μT)
10-3
(mT)
1G
1
(T)
Industrial
Magnetism
Earth magnetism
Compass
Strong
Field
1000000
100,000 smaller
For AMI306
Bio
magnetic
signal
MEMS PT element
③Biomagnetism
500 pT
20μV
Prof. Nakayama and Prof. Uchiyama
in Nagoya Univ.：
平滑筋細胞の細胞磁気
magnetic
Noise density (pT/√Hz)
100000
10000
1000
1/3000
100
For AMI307
10
1
electric
5.0 × 3.5 mm
For MI-CB-1DJ
0.1
0.1
For MI-CB-1DH
1
10
Frequency (Hz)
100
Fig.15 the progress of magnetic sensor
size
×sensitivity
3rd
generati
on.
MI sensor
Performance
GMR sensor
nanotechnology
2nd generation
Hall，MR sensor
1st generation
semicon. technology
Electromagnetic coil
1900
1960
FG Sensor
1990
2020
confidential
56
confidential
57
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