什么是磁位置傳感技術(shù) Triaxis位置傳感方案詳解

原文標(biāo)題：飛鴿傳書的啟示：汽車磁位置傳感器無所不能

人類是地球物質(zhì)文明和精神文明的創(chuàng)造者，我們經(jīng)常認(rèn)為自己的智力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生物，但其實不然，事實證明有些動物的某些方面甚至比人類要強(qiáng)。例如：傳書的信鴿并不是靠眼睛辨別方向，而是憑借地球磁場來確定方位。所以，自古以來信鴿就被廣泛用于航海、捕撈及軍事信息傳遞。

今天，科技進(jìn)步讓人具備了趕上甚至超過某些動物的能力，磁性位置感知就是這樣一種技術(shù)。那么，在汽車和工業(yè)領(lǐng)域，這一技術(shù)又是怎樣實現(xiàn)各種非接觸式位置傳感的呢？

什么是磁位置傳感技術(shù)？

磁傳感是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來檢測磁場的技術(shù)。其原理是，當(dāng)將垂直于電流的磁場施加于流過電流的物體時，就會在與電流和磁場正交的方向上出現(xiàn)電動勢。當(dāng)將電流施加到薄膜半導(dǎo)體時，通過霍爾效應(yīng)輸出與磁通密度及其方向相對應(yīng)的電壓即可檢測磁場。

磁場及其變化可采用霍爾傳感器檢測，然而傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器只能感測垂直于元件表面的磁通量密度，并且通常需要采用復(fù)雜的磁場結(jié)構(gòu)，且在較寬溫度范圍（被測磁鐵熱漂移）面臨精度方面的挑戰(zhàn)。

Triaxis革新磁位置傳感技術(shù)

如何解決上述磁傳感技術(shù)弊端呢？致力于微電子工程研究的Melexis（邁來芯）利用其獲得專利的Triaxis磁性傳感器技術(shù)，用單個傳感器進(jìn)行精密度極高的三軸磁場測量，適用于種類繁多的線性、角度和三維應(yīng)用。目前，Triaxis傳感器芯片已發(fā)展到第三代，基于前兩代進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了客戶廣泛贊譽(yù)。

三軸磁場測量

三軸磁場測量通過集磁點（IMC）技術(shù)實現(xiàn)，使用上述三個磁分量可以創(chuàng)建二維或三維傳感器以確定旋轉(zhuǎn)（角度）、線性（行程），甚至是操縱桿型的運(yùn)動及三維磁力計，實現(xiàn)輸出獨立的磁性組件。

線性、旋轉(zhuǎn)和操縱桿運(yùn)動

Triaxis的磁性位置傳感技術(shù)革新體現(xiàn)在哪些方面呢？

雜散場抗擾能力：通過雜散場免疫模式，Triaxis傳感器可顯著降低或消除電動汽車中其他磁體或載流導(dǎo)體產(chǎn)生的雜散場影響，分別使用四極或兩極磁體支持軸上旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動。這種免疫模式減少了設(shè)計限制，可滿足電動汽車對雜散場高達(dá)4kA/m的要求。

適用苛刻環(huán)境：芯片工作溫度高達(dá)160℃，可用于暴露于高溫環(huán)境的執(zhí)行器（如渦輪增壓器、廢氣閥門），其強(qiáng)化線性化能力可最大限度減少機(jī)械裝配公差造成的精度誤差。

功能安全不可或缺：Melexis的Triaxis系列提供適合于所有安全應(yīng)用的傳感器芯片。根據(jù)ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，可提供高達(dá)ASIL-C安全等級的傳感器芯片解決方案。

Triaxis傳感器芯片的優(yōu)勢包括：

體積?。耗軌蛟诟邷丨h(huán)境運(yùn)行，通過調(diào)整片上磁角計算支持多種感測應(yīng)用，角計算測量對溫度變化及磁和機(jī)械（如氣隙、偏心）公差都很穩(wěn)健。

額外校準(zhǔn)保證高精度：由于片上參數(shù)可在模塊組裝后校準(zhǔn)，能獲得優(yōu)異的線性和精度?？墒褂酶鞣N磁鐵形狀和化學(xué)物質(zhì)實現(xiàn)高靈敏度、靈活性和高精度。

裝配靈活：支持幾乎任何朝向安裝，實現(xiàn)平面集成電路三維磁場測量，可使用更小的磁鐵。

非接觸式感測：對污垢、灰塵、油類、氣體等不敏感，可使用塑料包覆成型或灌封防止污染，保證很長的使用壽命。

?Triaxis集成了磁集中器霍爾器件

?軸上、離軸、操縱桿和線性

助推各種應(yīng)用創(chuàng)新

特性也好，功能也罷，最后都要落地于應(yīng)用。Triaxis位置傳感器可實現(xiàn)各種獨特感測解決方案，涵蓋汽車、醫(yī)療、工業(yè)、家庭和建筑自動化。

以汽車應(yīng)用為例，Triaxis傳感器芯片適用于轉(zhuǎn)向角、踏板位置、電子節(jié)氣門體、EGR閥、變檔桿、渦輪增壓執(zhí)行器、電機(jī)位置、底盤高度等。

?汽車位置感測應(yīng)用

除乘用車外，Triaxis還支持農(nóng)業(yè)車輛和設(shè)備、操縱桿、人機(jī)界面、重型車輛、叉車、機(jī)器人、輪椅、工業(yè)起重機(jī)等應(yīng)用創(chuàng)新。

?Triaxis傳感器適用范圍

功能獨到自然備受應(yīng)用工程師青睞。2019年5月，Melexis的Triaxis位置傳感器芯片累計出貨超過10億顆。這當(dāng)中其SMD封裝、無PCB封裝，以及從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)到先進(jìn)封裝的多種選擇功不可沒。

?多種封裝形式

DMP、SMP和無PCB解決方案通過焊接直接連接引線框集成，不使用PCB，從而優(yōu)化封裝，降低系統(tǒng)成本，提高可靠性。

車載爆款一觸即發(fā)

對技術(shù)的無限熱忱和靈感迸發(fā)的工程設(shè)計是技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。Melexis正在將先進(jìn)混合信號半導(dǎo)體傳感器和執(zhí)行器元件融為一體，應(yīng)對新一代產(chǎn)品及系統(tǒng)在集成感測、驅(qū)動和通信元件時遇到的種種挑戰(zhàn)，以增強(qiáng)安全性，提高效率和應(yīng)用便捷性。

2021年6月，Melexis非接觸式位置傳感器Triaxis系列再添兩款新品——MLX90421和MLX90422，通過了AEC-Q100認(rèn)證并滿足ASIL-B要求。兩款芯片專為動力總成執(zhí)行器、踏板定位、燃油油位計和變速箱等成本敏感型汽車應(yīng)用打造，在功能安全和EMC特性方面能力出眾，特別是支持高溫運(yùn)行。

?新款磁位置傳感器芯片

兩款單片磁性位置處理器芯片由Triaxis霍爾磁性前端、模數(shù)信號調(diào)理器、用于高級信號處理的DSP和輸出級驅(qū)動器（SENT）組成。它可準(zhǔn)確感測施加到芯片上的磁通量密度的三個分量，并通過正確的磁路解碼任意移動磁體的絕對位置（如0到360度旋轉(zhuǎn)位置），用來設(shè)計面向汽車和工業(yè)應(yīng)用的非接觸式位置傳感器。

?應(yīng)用模式

除磁感測元件外，新款位置傳感芯片還內(nèi)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理模塊，并配備可編程輸出級驅(qū)動器。經(jīng)過適當(dāng)配置，芯片可以精確測定旋轉(zhuǎn)或線性位置。MLX90421提供比率式模擬輸出或脈寬調(diào)制（PWM）輸出，將傳感器組裝到應(yīng)用中，通過多點可編程線性化功能對其進(jìn)行編程，可提高系統(tǒng)精度。

MLX90421框圖

MLX90422支持符合SAE J2716單邊半字節(jié)傳輸（SENT）協(xié)議輸出。按照安全傳感器（Secure Sensor）格式編碼的SENT幀，其電路可傳達(dá)提供錯誤代碼和用戶定義值的增強(qiáng)型串行消息。

兩款芯片的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍擴(kuò)展至-40℃至160℃，這意味著可以部署在熱量更高的動力艙內(nèi)，符合汽車行業(yè)發(fā)動機(jī)小型化的趨勢。傳感器芯片完全符合ISO26262功能安全指南，通過SEooC支持ASIL-B安全級別。

為確保EMC測試一次成功，新款芯片沿用了Melexis MLX9037x產(chǎn)品的成熟設(shè)計，只需要一個測試周期，設(shè)計過程耗時更短，且可以最大限度節(jié)約工程成本。絕對最大額定值（AMR）方面的改進(jìn)，如-18V/-34V輸出保護(hù)和-18/-37V電源保護(hù)，有助于降低電氣過載風(fēng)險。

MLX90421和MLX90422提供SOIC-8和無PCBDMP-4形式單芯片封裝。這些封裝選項向后兼容公司之前的器件，可實現(xiàn)直接替代。對于需要系統(tǒng)冗余的安全關(guān)鍵型應(yīng)用，芯片還支持全冗余雙芯片TSSOP-16封裝。

MLX90421和MLX90422的封裝

MLX90422可作為絕對旋轉(zhuǎn)位置傳感器、絕對線性位置傳感器、液位傳感器和非接觸式電位計，用于成本敏感的汽車應(yīng)用，包括動力傳動系統(tǒng)執(zhí)行器、踏板定位、油門位置、車身高度位置、變速器位置和方向盤位置，也適用于工業(yè)應(yīng)用。汽車認(rèn)證包括AEC-Q100 0級和ISO26262 ASIL-B SeooC。

?磁位置傳感器芯片應(yīng)用場景

產(chǎn)品易于迭代是創(chuàng)新的另一個重要方面，兩款芯片與前幾代Triaxis位置傳感器芯片引腳兼容，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)編程。

Melexis inside

Melexis的重點關(guān)注是汽車半導(dǎo)體傳感器，目前全球生產(chǎn)的每輛新車平均搭載13顆Melexis芯片。如今，第三代Triaxis系列已發(fā)展到4種不同封裝和7種輸出協(xié)議的15款產(chǎn)品，支持汽車和工業(yè)產(chǎn)品中的各種位置感測應(yīng)用?？蛻粲辛烁嗟倪x擇，Melexis inside也將更多地走進(jìn)未來的智能聯(lián)網(wǎng)車輛。