【導讀】人類是地球物質文明和精神文明的創造者，我們經常認為自己的智力遠遠高于其他生物，但其實不然，事實證明有些動物的某些方面甚至比人類要強。例如：傳書的信鴿并不是靠眼睛辨別方向，而是憑借地球磁場來確定方位。所以，自古以來信鴿就被廣泛用于航海、捕撈及軍事信息傳遞。
今天，科技進步讓人具備了趕上甚至超過某些動物的能力，磁性位置感知就是這樣一種技術。那么，在汽車和工業領域，這一技術又是怎樣實現各種非接觸式位置傳感的呢？
什么是磁位置傳感技術？
磁傳感是利用霍爾元件的霍爾效應來檢測磁場的技術。其原理是，當將垂直于電流的磁場施加于流過電流的物體時，就會在與電流和磁場正交的方向上出現電動勢。當將電流施加到薄膜半導體時，通過霍爾效應輸出與磁通密度及其方向相對應的電壓即可檢測磁場。
磁場及其變化可采用霍爾傳感器檢測，然而傳統霍爾效應傳感器只能感測垂直于元件表面的磁通量密度，并且通常需要采用復雜的磁場結構，且在較寬溫度范圍（被測磁鐵熱漂移）面臨精度方面的挑戰。
Triaxis®革新磁位置傳感技術
如何解決上述磁傳感技術弊端呢？致力于微電子工程研究的Melexis（邁來芯）利用其獲得專利的Triaxis®磁性傳感器技術，用單個傳感器進行精密度極高的三軸磁場測量，適用于種類繁多的線性、角度和三維應用。目前，Triaxis®傳感器芯片已發展到第三代，基于前兩代進行了改進，獲得了客戶廣泛贊譽。
三軸磁場測量
三軸磁場測量通過集磁點（IMC）技術實現，使用上述三個磁分量可以創建二維或三維傳感器以確定旋轉（角度）、線性（行程），甚至是操縱桿型的運動及三維磁力計，實現輸出獨立的磁性組件。
線性、旋轉和操縱桿運動
Triaxis®的磁性位置傳感技術革新體現在哪些方面呢？
雜散場抗擾能力：通過雜散場免疫模式，Triaxis®傳感器可顯著降低或消除電動汽車中其他磁體或載流導體產生的雜散場影響，分別使用四極或兩極磁體支持軸上旋轉或線性運動。這種免疫模式減少了設計限制，可滿足電動汽車對雜散場高達4kA/m的要求。
適用苛刻環境：芯片工作溫度高達160℃，可用于暴露于高溫環境的執行器（如渦輪增壓器、廢氣閥門），其強化線性化能力可最大限度減少機械裝配公差造成的精度誤差。
功能安全不可或缺：Melexis的Triaxis®系列提供適合于所有安全應用的傳感器芯片。根據ISO 26262標準，可提供高達ASIL-C安全等級的傳感器芯片解決方案。
Triaxis®傳感器芯片的優勢包括：
體積小：能夠在高溫環境運行，通過調整片上磁角計算支持多種感測應用，角計算測量對溫度變化及磁和機械（如氣隙、偏心）公差都很穩健。
額外校準保證高精度：由于片上參數可在模塊組裝后校準，能獲得優異的線性和精度。可使用各種磁鐵形狀和化學物質實現高靈敏度、靈活性和高精度。
裝配靈活：支持幾乎任何朝向安裝，實現平面集成電路三維磁場測量，可使用更小的磁鐵。
非接觸式感測：對污垢、灰塵、油類、氣體等不敏感，可使用塑料包覆成型或灌封防止污染，保證很長的使用壽命。
Triaxis®集成了磁集中器霍爾器件
軸上、離軸、操縱桿和線性
助推各種應用創新
特性也好，功能也罷，最后都要落地于應用。Triaxis®位置傳感器可實現各種獨特感測解決方案，涵蓋汽車、醫療、工業、家庭和建筑自動化。
以汽車應用為例，Triaxis®傳感器芯片適用于轉向角、踏板位置、電子節氣門體、EGR閥、變檔桿、渦輪增壓執行器、電機位置、底盤高度等。
汽車位置感測應用
除乘用車外，Triaxis®還支持農業車輛和設備、操縱桿、人機界面、重型車輛、叉車、機器人、輪椅、工業起重機等應用創新。
Triaxis®傳感器適用范圍
功能獨到自然備受應用工程師青睞。2019年5月，Melexis的Triaxis®位置傳感器芯片累計出貨超過10億顆。這當中其SMD封裝、無PCB封裝，以及從行業標準到先進封裝的多種選擇功不可沒。
多種封裝形式
DMP、SMP和無PCB解決方案通過焊接直接連接引線框集成，不使用PCB，從而優化封裝，降低系統成本，提高可靠性。
車載爆款一觸即發
對技術的無限熱忱和靈感迸發的工程設計是技術創新的關鍵。Melexis正在將先進混合信號半導體傳感器和執行器元件融為一體，應對新一代產品及系統在集成感測、驅動和通信元件時遇到的種種挑戰，以增強安全性，提高效率和應用便捷性。
2021年6月，Melexis非接觸式位置傳感器Triaxis®系列再添兩款新品——MLX90421和MLX90422，通過了AEC-Q100認證并滿足ASIL-B要求。兩款芯片專為動力總成執行器、踏板定位、燃油油位計和變速箱等成本敏感型汽車應用打造，在功能安全和EMC特性方面能力出眾，特別是支持高溫運行。
新款磁位置傳感器芯片
兩款單片磁性位置處理器芯片由Triaxis®霍爾磁性前端、模數信號調理器、用于高級信號處理的DSP和輸出級驅動器（SENT）組成。它可準確感測施加到芯片上的磁通量密度的三個分量，并通過正確的磁路解碼任意移動磁體的絕對位置（如0到360度旋轉位置），用來設計面向汽車和工業應用的非接觸式位置傳感器。
應用模式
除磁感測元件外，新款位置傳感芯片還內置數據轉換和數字信號處理模塊，并配備可編程輸出級驅動器。經過適當配置，芯片可以精確測定旋轉或線性位置。MLX90421提供比率式模擬輸出或脈寬調制（PWM）輸出，將傳感器組裝到應用中，通過多點可編程線性化功能對其進行編程，可提高系統精度。
MLX90421框圖
MLX90422支持符合SAE J2716單邊半字節傳輸（SENT）協議輸出。按照安全傳感器（Secure Sensor）格式編碼的SENT幀，其電路可傳達提供錯誤代碼和用戶定義值的增強型串行消息。
兩款芯片的運行環境溫度范圍擴展至-40℃至160℃，這意味著可以部署在熱量更高的動力艙內，符合汽車行業發動機小型化的趨勢。傳感器芯片完全符合ISO26262功能安全指南，通過SEooC支持ASIL-B安全級別。
為確保EMC測試一次成功，新款芯片沿用了Melexis MLX9037x產品的成熟設計，只需要一個測試周期，設計過程耗時更短，且可以最大限度節約工程成本。絕對最大額定值（AMR）方面的改進，如-18V/-34V輸出保護和-18/-37V電源保護，有助于降低電氣過載風險。
MLX90421和MLX90422提供SOIC-8和無PCBDMP-4形式單芯片封裝。這些封裝選項向后兼容公司之前的器件，可實現直接替代。對于需要系統冗余的安全關鍵型應用，芯片還支持全冗余雙芯片TSSOP-16封裝。
MLX90421和MLX90422的封裝
MLX90422可作為絕對旋轉位置傳感器、絕對線性位置傳感器、液位傳感器和非接觸式電位計，用于成本敏感的汽車應用，包括動力傳動系統執行器、踏板定位、油門位置、車身高度位置、變速器位置和方向盤位置，也適用于工業應用。汽車認證包括AEC-Q100 0級和ISO26262 ASIL-B SeooC。
磁位置傳感器芯片應用場景
產品易于迭代是創新的另一個重要方面，兩款芯片與前幾代Triaxis®位置傳感器芯片引腳兼容，可進行大規模生產編程。
Melexis inside
Melexis的重點關注是汽車半導體傳感器，目前全球生產的每輛新車平均搭載13顆Melexis芯片。如今，第三代Triaxis®系列已發展到4種不同封裝和7種輸出協議的15款產品，支持汽車和工業產品中的各種位置感測應用。客戶有了更多的選擇，Melexis inside也將更多地走進未來的智能聯網車輛。
文章來源：MEMS
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