3D磁传感器技术为创新打开了大门

作者：HANNES BIRK，3D 磁传感器营销经理，英飞凌科技股份公司

德国纽必贝格

磁性传感器是汽车和工业系统中非接触式测量和位置传感应用的主要技术。与所有基于硅的设备一样，跨代产品集成度的提高带来了更强大的功能和更简单、更强大的系统设计。以更低的成本提供更多的传感能力驱动的产品创新机会对设计工程师来说是个好消息。

霍尔传感器元件检测垂直于嵌入它的芯片表面的方向上的磁场通量。因此，使用传统霍尔器件在 3D 空间（x,y 和 z 坐标）中建立位置需要至少两个单独的传感器：例如，用于建立 x,y 坐标的差分霍尔（一个芯片上的两个传感器）和一个独立的单个霍尔器件以直角定位。这反过来又需要对多个传感元件进行精确设计的放置和校准。这种复杂程度以及实现多设备磁性 3D 传感器所需的物理空间意味着工程师在评估 3D 位置传感技术时面临权衡取舍。在许多情况下，无论是机械的， 

输入第三 维

当经典的磁性霍尔传感器在单个芯片上制造有垂直和水平板以实现 3D 场感测时，该等式发生了变化（图 1）。垂直霍尔板对来自 x 和 y 方向的平面定向场分量敏感，而水平霍尔板对垂直（z 方向）定向场分量敏感。

图 1：经典的磁性霍尔传感器在单个芯片上制造了垂直和水平板，以实现 3D 场感应。

英飞凌在小型 6 引脚封装中提供基于能量吸取的霍尔传感器，具有五种可选功率模式（图 2），用于 x、y 和 z 方向的磁场检测，以可靠地测量三维、线性和旋转运动. 应用包括操纵杆、控制元件（例如白色家电中的多功能旋钮）以及电表中的篡改检测/预防。

图 2：具有五种可选功率模式的能量啜饮霍尔传感器采用小型 6 引脚封装，用于 x、y 和 z 方向的磁场检测。

丰富的应用领域

在典型的电流互感器电表中，基于两个端子之间流动的电压和电流测量能量，放置在电表外部的强大永磁体会使电流传感器失效。实施用于防篡改的磁感应的传统方法是基于两个霍尔传感器（一个焊接在相关 PCB 上，另一个垂直焊接在单独的小 PCB 上）。实施这种方法的挑战包括机械构造、校准和调整的复杂性——这会增加成本——以及多设备解决方案的更高功耗。单个 3D 磁传感器可解决这些挑战，无需额外组件即可带来大磁场范围、高分辨率和温度测量。

在包括计算外围设备和白色家电在内的许多消费产品中，磁传感器取代了机械和光学解决方案。与机械设备相比，磁传感器在覆盖大范围运动方面更加准确。对于光学传感，挑战不是运动范围，而是视线要求。

几十年来，操纵杆的设计已经从四个机械开关发展到一对电位器。使用 3D 磁传感器实现了更加简化的设计，结合了在恶劣操作环境中的出色耐用性和非接触式设计的长寿命。这种方法广泛用于工业环境中的机器控制操纵杆。最新一代 3D 传感器以 3.3 kHz 的频率运行（每秒 3,300 次测量，功耗为 3.7 mA），以适合大众市场游戏系统的成本提供精确和闪电般的快速控制（图 3）。

最新一代 3D 传感器，工作频率为 3.3 kHz（每秒 3,300 次测量，功耗为 3.7 mA），可实现精确和闪电般的快速控制

对于消费类白色家电上无处不在的多功能旋钮，3D 磁传感器极大地改变了设计考虑。在多个堆叠 PCB 上实现的多个开关和基于光电传感器的旋转编码器被传感器和磁性元件取代。

总之，基于霍尔的 3D 磁传感器提供的灵活性使该技术成为替代电位计和光学解决方案以及简化现有磁位置传感设计的绝佳候选者。设计人员应考虑线性测量范围、有效分辨率（考虑某些读数中的噪声）、总线数据速率以及在微控制器控制系统中集成的容易程度、工作温度范围内的稳定性和功耗曲线等因素。对于汽车应用，AEC Q-100 认证也必须是设计清单的一部分。

　　审核编辑：汤梓红