電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）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(jī)也有很多無(wú)傳感器的方案，但在絕大多數(shù)對(duì)運(yùn)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(cè)量是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制的前提。
從霍爾開(kāi)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(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)，靈敏性足夠的同時(shí)穩(wěn)定性也很可靠。現(xiàn)階段，霍爾傳感器已經(jīng)由傳統(tǒng)的單個(gè)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(dòng)化、信息處理等各個(gè)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(duì)某一方向上的磁場(chǎng)敏感，傳感器焊接到PCB上之后如果磁場(chǎng)并不是單向的，那么很難說(shuō)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(wèn)題，顧名思義，3D霍爾可以檢測(cè)X，Y和Z軸的磁場(chǎng)，對(duì)任何方向放置的磁體都是敏感的。由此得來(lái)的絕對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)完整磁場(chǎng)的感應(yīng)，使得任何3D運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位置檢測(cè)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(shì)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(dòng)化系統(tǒng)里，位置信息需要實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)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(dòng)、變速箱和節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)等，是汽車電氣化、智能化快速增長(zhǎng)的關(guān)鍵器件。在工業(yè)領(lǐng)域，最典型的應(yīng)用就是機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人正朝著多軸發(fā)展，多軸機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)量的增多對(duì)高分辨率、高效的電機(jī)轉(zhuǎn)向反饋需求也越來(lái)越大。正是這些實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的位置控制需求推動(dòng)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(lái)監(jiān)控電機(jī)軸，那傳感器的相關(guān)參數(shù)對(duì)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(shí)現(xiàn)更高的精度通常需要以較低的速度運(yùn)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(jìn)而影響系統(tǒng)性能，3D霍爾傳感器內(nèi)會(huì)集成ADC通過(guò)精密的信號(hào)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度和低漂移磁場(chǎng)測(cè)量，然后再通過(guò)片上溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)漂移補(bǔ)償，在不犧牲性能的情況下實(shí)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(wú)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(guò)可選磁性靈敏度范圍以及溫度補(bǔ)償選項(xiàng)為磁性和機(jī)械設(shè)計(jì)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(cè)量精度和速度，同時(shí)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?yàn)閭鹘y(tǒng)磁傳感的功耗往往會(huì)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(cè)門(mén)窗開(kāi)關(guān)并測(cè)量距離，通過(guò)嵌入在傳統(tǒng)門(mén)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(shí)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(yùn)行以確保系統(tǒng)的低功耗。
可能有人說(shuō)，傳統(tǒng)的2D角度傳感也能實(shí)現(xiàn)這樣的測(cè)量，為何要用3D呢？在這種應(yīng)用里，確實(shí)只用了兩個(gè)靈敏度監(jiān)測(cè)角度軸進(jìn)行測(cè)量，但線性3D傳感第三個(gè)軸的好處在于可以用于檢測(cè)惡意磁篡改，大大提高整個(gè)門(mén)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(cè)量3D磁場(chǎng)是難度很大，因?yàn)橛糜赬和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(gè)不同的軸也同樣富有挑戰(zhàn)。如何從根本上做好三個(gè)軸的速度、匹配和測(cè)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(yùn)動(dòng)和控制的發(fā)展，越來(lái)越多的場(chǎng)景里開(kāi)始需要多軸傳感，3D霍爾傳感開(kāi)始從工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域、汽車ADAS領(lǐng)域開(kāi)始逐步延伸向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。市場(chǎng)對(duì)3D感測(cè)的需求推動(dòng)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(chǎng)景越來(lái)越多，未來(lái)的需求也會(huì)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。