使用垂直霍爾傳感器技術(shù)實現(xiàn)維度測量

在汽車及工業(yè)應(yīng)用的位置探測領(lǐng)域中，對傳感器功能的要求越來越多。傳感器在嚴苛環(huán)境下的精確性和穩(wěn)定性必須持續(xù)增強。關(guān)于節(jié)氣門閥、離合器或方向盤的位置探測應(yīng)用必須盡可能精確地實現(xiàn)。對于短距離（6毫米為上限）或小角度（60度為上限）測量應(yīng)用，可以使用現(xiàn)有的一維線性霍爾傳感器。但對于更大的角度，則需要使用一種新的技術(shù)。為此，Micronas開發(fā)了兩個新的霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)品系列，HAL36xy和HAL38xy。

上述產(chǎn)品首次使用了所謂的“垂直霍爾片”。我們和Fraunhofer集成電路研究院（FhG IIS）緊密合作，為這種新型傳感器專門開發(fā)了這些契合Micronas制程的霍爾片。Micronas授權(quán)應(yīng)用了被稱為“Hall-in-One”的pixel cell像素技術(shù)，并將其調(diào)整應(yīng)用于HAL 36xy/HAL 38xy系列。這些傳感器系列包括7個不同的產(chǎn)品，因而覆蓋了從離合器位置或空檔檢測到方向盤角度測量的廣泛應(yīng)用。

圖1：3D霍爾技術(shù)線性距離測量

Micronas是首家成功將使用“垂直霍爾技術(shù)”的傳感器引入汽車應(yīng)用，并且處于領(lǐng)導(dǎo)地位的霍爾效應(yīng)傳感器制造商。

從前，角度測量只能用集成的通量集中器或者復(fù)雜雙列AMR（各向異性磁阻）傳感器來實現(xiàn)，而現(xiàn)在可以用一個標準的CMOS過程來完成。與AMR技術(shù)相反，由于垂直霍爾技術(shù)的幫助，可以用單個產(chǎn)品就實現(xiàn)對上至360°的角度以及線性距離進行測量。Micronas所開發(fā)的方案，其主要優(yōu)勢在于使用了所謂的“pixel cell”像素。它由兩個垂直霍爾片和一個水平霍爾片組成。有了pixel cell像素，就可以在一個點上測量三個磁場分矢量。平行于傳感器表面的磁力線由垂直霍爾片測量，垂直于傳感器表面的磁力線由水平霍爾片測量。

HAL36xy只使用兩個垂直霍爾片Bx和By，而HAL38xy使用水平霍爾片以及垂直霍爾片的其中一片。視不同的傳感器型號，客戶可以選擇想要的霍爾片組合。Bx和Bz活躍，或By和Bz活躍。另外，可選擇兩種輸出信號格式（脈寬調(diào)制或者模擬信號）。

HAL36xy系列理想的應(yīng)用是上至360°的角度測量，比如方向盤角度測量。為此，主要使用一個徑向充磁的磁鐵（見圖2），和傳感器表面平行傳動。兩個垂直霍爾片相互垂直放置，同時產(chǎn)生正弦和余弦信號。傳感器自動計算反正切數(shù)值，并轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字輸出信號。

圖2：徑向充磁的磁鐵平行于HAL36xy的表面轉(zhuǎn)動

反正切公式：

輸出信號和測得的角度是直接等比例的?；诜凑蟹治觯盆F的氣隙變化和磁鐵溫度反應(yīng)對改種測量方法影響極小。這些傳感器的設(shè)計工作溫度范圍是–40℃到170℃（裸片溫度），并提供多種診斷功能。傳感器自帶的自檢在第一個通電旋轉(zhuǎn)圈進行，確保傳感器線路功能正常。傳感器可以檢測到過壓或者欠壓狀態(tài)，并在輸出信號中表示出來。用戶也可以定義應(yīng)用的磁場強度范圍。如果磁場強度超過了特定范圍，傳感器可以顯示出錯信號。該范圍可以由用戶定義并編程。對傳感器的編程是通過一個對用戶友好的圖形界面軟件工具來實現(xiàn)的。

帶有垂直和水平霍爾片的HAL38xy主要用于線性位移應(yīng)用，測量距離可以比磁鐵長度長50%。用一個長度為10mm的磁鐵，可以測量大于等于15mm的距離。在此應(yīng)用中，一個軸向充磁的磁鐵平行于傳感器表面運動（圖3）。用合適的磁鐵可以進行更長距離的測量。

圖3：軸向充磁的磁鐵平行于傳感器表面運動

在傳統(tǒng)的單維度測量傳感器應(yīng)用中，磁鐵長度必須要設(shè)計成比被測量的位移長30%。因而使用二維傳感器所相對增加的成本，會輕而易舉地被昂貴磁性材料的節(jié)約彌補掉。所以，在提升性能的同時，也實現(xiàn)了成本優(yōu)勢。

HAL38xy另一個可能的應(yīng)用是在軸邊的角度測量。一個徑向充磁的磁鐵固定在軸上，在傳感器邊旋轉(zhuǎn)。如果兩個磁場反正切計算提供了理想的正弦余弦相關(guān)曲線，反正切可以為角度提供一個線性關(guān)系。這并不是在所有的應(yīng)用中都可以實現(xiàn)的。理想的軸邊角度測量設(shè)置只能通過特殊的磁鐵實現(xiàn)。如使用傳統(tǒng)的磁鐵，則需要在反正切計算之后再進行線性化。為完成這一任務(wù)，HAL38xy和HAL36xy提供了32點標定來使得輸出信號線性化。

其他的傳感器制造商如今也再嘗試使用垂直霍爾技術(shù)（比如，霍爾開關(guān)等簡單產(chǎn)品），這一事實證明了該技術(shù)的吸引力。Micronas很早就實施了垂直霍爾傳感器技術(shù)，因而如今成為該領(lǐng)域的市場領(lǐng)導(dǎo)者。隨著下一代直接角度傳感器的推出，Micronas將擴大其對市場的引領(lǐng)。新一代產(chǎn)品將有進一步改善的角度測量表現(xiàn)，提供更高測量精度，更低的通量密度下限值，使產(chǎn)品可以在弱得多得到磁場中使用。

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