電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）霍爾效應(yīng)傳感器是諸多傳感器類別中非常龐大的一類傳感，尤其在位置傳感應(yīng)用上，霍爾效應(yīng)傳感應(yīng)該是市面上最多的那一類選擇。雖然目前電機也有很多無傳感器的方案，但在絕大多數(shù)對運控有高要求的系統(tǒng)里，傳感技術(shù)還是少不了的而且很大程度上決定了系統(tǒng)的性能上限。準(zhǔn)確、快速和可靠的傳感測量是實現(xiàn)實時精準(zhǔn)控制的前提。
從霍爾開關(guān)、速度霍爾、電流霍爾，到線性/角度霍爾、3D霍爾，各類霍爾傳感以霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，將被測非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)，靈敏性足夠的同時穩(wěn)定性也很可靠?，F(xiàn)階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的單個霍爾元件階段發(fā)展到集成電路階段，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、自動化、信息處理等各個領(lǐng)域。
不斷攀升的3D霍爾位置傳感需求
傳統(tǒng)的霍爾位置傳感，只對某一方向上的磁場敏感，傳感器焊接到PCB上之后如果磁場并不是單向的，那么很難說獲取到的位置信息是精準(zhǔn)的。3D霍爾正是為了解決這種問題，顧名思義，3D霍爾可以檢測X，Y和Z軸的磁場，對任何方向放置的磁體都是敏感的。由此得來的絕對位置信息相比傳統(tǒng)霍爾傳感精度更高，結(jié)果更可靠。3D霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用實現(xiàn)了對完整磁場的感應(yīng)，使得任何3D運動的絕對位置檢測成為可能。
尤其是在工業(yè)以及汽車領(lǐng)域智能化、集成化的趨勢之下，采用新型霍爾結(jié)構(gòu)的3D霍爾傳感器的需求不斷攀升。在高度集成的自動化系統(tǒng)里，位置信息需要實時同步收集用于控制流程，具有更高精度、速度和能效的3D位置感應(yīng)技術(shù)可以快速實現(xiàn)精確的實時控制以提高系統(tǒng)效率和性能。
在汽車領(lǐng)域，3D霍爾位置傳感器能為ADAS系統(tǒng)提供更高精度的轉(zhuǎn)向、制動、變速箱和節(jié)氣門系統(tǒng)等，是汽車電氣化、智能化快速增長的關(guān)鍵器件。在工業(yè)領(lǐng)域，最典型的應(yīng)用就是機器人。工業(yè)機器人正朝著多軸發(fā)展，多軸機器人關(guān)節(jié)數(shù)量的增多對高分辨率、高效的電機轉(zhuǎn)向反饋需求也越來越大。正是這些實時精準(zhǔn)的位置控制需求推動了3D霍爾效應(yīng)傳感器的不斷發(fā)展。
3D霍爾效應(yīng)位置傳感應(yīng)用
如果將3D霍爾效應(yīng)位置傳感器用來監(jiān)控電機軸，那傳感器的相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)的控制、帶寬和延遲有很直接的影響。有些傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)為了實現(xiàn)更高的精度通常需要以較低的速度運行。為了避免傳感器在數(shù)據(jù)吞吐量和誤差上做權(quán)衡進而影響系統(tǒng)性能，3D霍爾傳感器內(nèi)會集成ADC通過精密的信號鏈來實現(xiàn)高精度和低漂移磁場測量，然后再通過片上溫度傳感器數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)級漂移補償，在不犧牲性能的情況下實現(xiàn)高精度。在工業(yè)、汽車應(yīng)用里這種高吞吐量下的高精度無疑很吃香。
在工業(yè)、汽車應(yīng)用里磁軸和溫度的組合靈活性也很重要，比如TDK可配置HAR 39xx系列、TI的靈活配置TMAG5170 系列都可以通過可選磁性靈敏度范圍以及溫度補償選項為磁性和機械設(shè)計提供靈活性。
在智能家居，建筑安全系統(tǒng)里，3D霍爾傳感的應(yīng)用也不少。確保足夠的測量精度和速度，同時消耗盡可能少的功率，是3D霍爾在這種應(yīng)用里最看重的，因為傳統(tǒng)磁傳感的功耗往往會占用這種低功耗系統(tǒng)總功率的一大部分。比較典型的就是用于檢測門窗開關(guān)并測量距離，通過嵌入在傳統(tǒng)門鉸鏈中的環(huán)形磁鐵和線性三維霍爾效應(yīng)位置傳感器可以實現(xiàn)。在這種應(yīng)用里，3D霍爾傳感應(yīng)放置可以在低功率5 Hz模式或以下低頻運行以確保系統(tǒng)的低功耗。
可能有人說，傳統(tǒng)的2D角度傳感也能實現(xiàn)這樣的測量，為何要用3D呢？在這種應(yīng)用里，確實只用了兩個靈敏度監(jiān)測角度軸進行測量，但線性3D傳感第三個軸的好處在于可以用于檢測惡意磁篡改，大大提高整個門禁系統(tǒng)的安全性。
3D霍爾傳感前景可期
我們可以看到，目前市面上可以提供3D霍爾效應(yīng)的傳感器廠家相比于傳統(tǒng)霍爾傳感廠商并不算多。傳統(tǒng)霍爾向3D霍爾轉(zhuǎn)變的技術(shù)挑戰(zhàn)還是很大的，測量3D磁場是難度很大，因為用于X和Y方向的霍爾傳感器元件在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中制造工藝復(fù)雜。而且如何協(xié)調(diào)三個不同的軸也同樣富有挑戰(zhàn)。如何從根本上做好三個軸的速度、匹配和測量精度之間的權(quán)衡是做好3D霍爾傳感的關(guān)鍵。
雖然技術(shù)上有難關(guān)，但隨著3D運動和控制的發(fā)展，越來越多的場景里開始需要多軸傳感，3D霍爾傳感開始從工業(yè)自動化領(lǐng)域、汽車ADAS領(lǐng)域開始逐步延伸向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。市場對3D感測的需求推動了各廠商在3D霍爾的技術(shù)創(chuàng)新與差異化發(fā)展。應(yīng)用場景越來越多，未來的需求也會更多，隨著各廠商差異化的3D霍爾陸續(xù)推出，3D霍爾傳感器的前景值得期待?！ ?/p>