作者：HANNES BIRK，3D 磁傳感器營(yíng)銷經(jīng)理，英飛凌科技股份公司
德國(guó)紐必貝格
磁性傳感器是汽車和工業(yè)系統(tǒng)中非接觸式測(cè)量和位置傳感應(yīng)用的主要技術(shù)。與所有基于硅的設(shè)備一樣，跨代產(chǎn)品集成度的提高帶來了更強(qiáng)大的功能和更簡(jiǎn)單、更強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以更低的成本提供更多的傳感能力驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新機(jī)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說是個(gè)好消息。
霍爾傳感器元件檢測(cè)垂直于嵌入它的芯片表面的方向上的磁場(chǎng)通量。因此，使用傳統(tǒng)霍爾器件在 3D 空間（x,y 和 z 坐標(biāo)）中建立位置需要至少兩個(gè)單獨(dú)的傳感器：例如，用于建立 x,y 坐標(biāo)的差分霍爾（一個(gè)芯片上的兩個(gè)傳感器）和一個(gè)獨(dú)立的單個(gè)霍爾器件以直角定位。這反過來又需要對(duì)多個(gè)傳感元件進(jìn)行精確設(shè)計(jì)的放置和校準(zhǔn)。這種復(fù)雜程度以及實(shí)現(xiàn)多設(shè)備磁性 3D 傳感器所需的物理空間意味著工程師在評(píng)估 3D 位置傳感技術(shù)時(shí)面臨權(quán)衡取舍。在許多情況下，無論是機(jī)械的，
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當(dāng)經(jīng)典的磁性霍爾傳感器在單個(gè)芯片上制造有垂直和水平板以實(shí)現(xiàn) 3D 場(chǎng)感測(cè)時(shí)，該等式發(fā)生了變化（圖 1）。垂直霍爾板對(duì)來自 x 和 y 方向的平面定向場(chǎng)分量敏感，而水平霍爾板對(duì)垂直（z 方向）定向場(chǎng)分量敏感。
圖 1：經(jīng)典的磁性霍爾傳感器在單個(gè)芯片上制造了垂直和水平板，以實(shí)現(xiàn) 3D 場(chǎng)感應(yīng)。
英飛凌在小型 6 引腳封裝中提供基于能量吸取的霍爾傳感器，具有五種可選功率模式（圖 2），用于 x、y 和 z 方向的磁場(chǎng)檢測(cè)，以可靠地測(cè)量三維、線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用包括操縱桿、控制元件（例如白色家電中的多功能旋鈕）以及電表中的篡改檢測(cè)/預(yù)防。
圖 2：具有五種可選功率模式的能量啜飲霍爾傳感器采用小型 6 引腳封裝，用于 x、y 和 z 方向的磁場(chǎng)檢測(cè)。
豐富的應(yīng)用領(lǐng)域
在典型的電流互感器電表中，基于兩個(gè)端子之間流動(dòng)的電壓和電流測(cè)量能量，放置在電表外部的強(qiáng)大永磁體會(huì)使電流傳感器失效。實(shí)施用于防篡改的磁感應(yīng)的傳統(tǒng)方法是基于兩個(gè)霍爾傳感器（一個(gè)焊接在相關(guān) PCB 上，另一個(gè)垂直焊接在單獨(dú)的小 PCB 上）。實(shí)施這種方法的挑戰(zhàn)包括機(jī)械構(gòu)造、校準(zhǔn)和調(diào)整的復(fù)雜性——這會(huì)增加成本——以及多設(shè)備解決方案的更高功耗。單個(gè) 3D 磁傳感器可解決這些挑戰(zhàn)，無需額外組件即可帶來大磁場(chǎng)范圍、高分辨率和溫度測(cè)量。
在包括計(jì)算外圍設(shè)備和白色家電在內(nèi)的許多消費(fèi)產(chǎn)品中，磁傳感器取代了機(jī)械和光學(xué)解決方案。與機(jī)械設(shè)備相比，磁傳感器在覆蓋大范圍運(yùn)動(dòng)方面更加準(zhǔn)確。對(duì)于光學(xué)傳感，挑戰(zhàn)不是運(yùn)動(dòng)范圍，而是視線要求。
幾十年來，操縱桿的設(shè)計(jì)已經(jīng)從四個(gè)機(jī)械開關(guān)發(fā)展到一對(duì)電位器。使用 3D 磁傳感器實(shí)現(xiàn)了更加簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，結(jié)合了在惡劣操作環(huán)境中的出色耐用性和非接觸式設(shè)計(jì)的長(zhǎng)壽命。這種方法廣泛用于工業(yè)環(huán)境中的機(jī)器控制操縱桿。最新一代 3D 傳感器以 3.3 kHz 的頻率運(yùn)行（每秒 3,300 次測(cè)量，功耗為 3.7 mA），以適合大眾市場(chǎng)游戲系統(tǒng)的成本提供精確和閃電般的快速控制（圖 3）。
最新一代 3D 傳感器，工作頻率為 3.3 kHz（每秒 3,300 次測(cè)量，功耗為 3.7 mA），可實(shí)現(xiàn)精確和閃電般的快速控制
對(duì)于消費(fèi)類白色家電上無處不在的多功能旋鈕，3D 磁傳感器極大地改變了設(shè)計(jì)考慮。在多個(gè)堆疊 PCB 上實(shí)現(xiàn)的多個(gè)開關(guān)和基于光電傳感器的旋轉(zhuǎn)編碼器被傳感器和磁性元件取代。
總之，基于霍爾的 3D 磁傳感器提供的靈活性使該技術(shù)成為替代電位計(jì)和光學(xué)解決方案以及簡(jiǎn)化現(xiàn)有磁位置傳感設(shè)計(jì)的絕佳候選者。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮線性測(cè)量范圍、有效分辨率（考慮某些讀數(shù)中的噪聲）、總線數(shù)據(jù)速率以及在微控制器控制系統(tǒng)中集成的容易程度、工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和功耗曲線等因素。對(duì)于汽車應(yīng)用，AEC Q-100 認(rèn)證也必須是設(shè)計(jì)清單的一部分。
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