新型霍爾效應傳感器實現360°旋轉位置傳感

一類新的霍爾傳感器能夠在單點感應磁通量的所有三個分量。

VINCENT M. HILIGSMANN,
MELEXIS MICROELECTRONIC SYSTEMS

在霍爾效應傳感器上增加集成磁場集中器（ IMC ）可以實現高精度 360° 旋轉位置傳感。三軸霍爾技術結合了集成磁場集中器和高精度、非接觸式的高性價比小型旋轉位置傳感器。 Melexis 的 MLX90316 是第一款三軸系列產品，旨在解決長期困擾 360° 位置傳感的問題。

工作原理
普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應垂直于 IC 表面的磁通量。而三軸霍爾傳感器能夠在單點感應到磁通量的所有三個分量。

其實現方法是在十字形兩對平面霍爾片的中心位置處放置一個直徑 200µm 、厚 25µm 的 IMC ，起到傳感作用的是霍爾片（圖 1A ）。

	> 圖 1. 三軸霍爾傳感器 （ A ）頂視圖顯示了 IMC （黃色）和平面霍爾片（藍色）。
	沿三軸傳感器一個軸方向的橫截面（ B ）顯示了 IMC 和平面霍爾片以及磁力線。

IMC 是非晶材料，在后加工過程中，利用光刻和刻蝕技術在晶片上沉積而成。

IMC 將平行于芯片表面的磁通量（ B // ）轉換為正交分量（ B ⊥ ），這一分量由下面的霍爾片進行感應（圖 1B ）。只要 IMC 材料沒有達到飽和，這種轉換就是線性的。平行磁通量大于 70mT 時出現飽和，材料飽和會影響傳感器的線性度，但并不是不可逆的。磁通量回到正常范圍后，恢復線性特性。 IMC 不存在磁滯現象。

每一對霍爾片直接或者通過 IMC 結構來測量其上的磁通量。提取出每一對霍爾片的信號后，可以低償磁通量的正交分量（即 B Z ），留下平行分量（即 B X 和 B Y ）。增加信號可以消除水平分量；因此，只感應正交分量。這樣，通過簡單的運算，就可以測得磁通量的所有三個分量。這就是三軸霍爾的得名。

三軸霍爾器件的運轉
作為非接觸旋轉位置傳感器 IC ， MLX90316 只使用旋轉磁鐵在 IC 上磁通量的平行分量（即 B X 和 B Y ）。

圖 2 的結構框圖顯示了原始霍爾信號 V X 和 V Y 在數字化之前，先通過多路復用斬波放大 。

基于微控制器的數字信號處理（ DSP ）內核進一步處理信號，得到角度信息。角度（ α ）輸出為模擬信號（通過 DAC 之后）、數字 PWM 或者串行信號。

當徑向磁鐵（通過圓形磁鐵平面的磁場）在 IC （圖 3 ）上面旋轉時，磁通分量 B X 和 B Y 將產生兩個正交的正弦波（圖 4 ）， B X 正比于 cosine(α) ， B Y 正比于 sine(α) 。

原始霍爾信號 V X 和 V Y 分別與 B X 和 B Y 成正比。放大后， MLX90316 的嵌入式 DSP 執行以下運算，得到角度信息：

由于 MLX90316 直接輸出其上旋轉磁鐵的角度位置（最大 360° ），實際上就是傳感器 IC 的旋轉位置。

方程 1 突出了三軸霍爾技術的兩個關鍵特性：放大后，兩路霍爾信號分開；對兩路信號的匹配偏差進行補償，不會影響輸出角度的精度。三軸霍爾 IC 不受磁鐵熱系數的影響，氣隙也不會改變，而普通霍爾技術直接受到這些偏差的影響。 MLX90316 還帶有 EEPROM ，存儲與芯片功能和輸出特性相關的參數，模塊安裝后還可以調整輸出傳輸特性。

旋轉位置傳感器的性能
任何位置傳感器的主要品質因數是線性誤差，它包括與理想輸出傳輸特性（即線性）相關的所有偏差。這些偏差涉及到電氣、機械、磁場、熱效應和器件老化等問題。旋轉位置傳感器的性能主要受到 IC 固有線性誤差和傳感器模塊組件引入的其他誤差的影響。

IC 固有誤差 。要評估 IC 的性能，由于 V X 和 V Y 并不與 B X 和 B Y 完全成正比，因此，需要考慮理想公式的偏差（方程 1 ）：

其中， V X0 和 V Y0 反映了原始信號的失調， A X 和 A Y 反映了兩個通道的靈敏度失配， β 是垂直（即正交）誤差。

結果得到的線性誤差由方程 3 給出。

IC 使用 EEPROM 中設置的補償參數來降低線性誤差。圖 5 顯示了補償后，殘余線性誤差每一分量的影響， MLX90316 數據手冊對此進行了說明。

> 圖 5. （ A ）是一個周期內失調影響最大時的典型曲線 （ B ）是兩個周期內的靈敏度失配 （ C ）是兩個周期內的正交性

補償后，除了線性誤差之外，還要考慮其他三種影響：

• 溫度影響。溫度主要影響失調，在熱失調漂移規范中，它對誤差預算的影響與圖 5A 所示的方式相似。靈敏度熱系數失配對總誤差的貢獻是 0.1° 。
• 原始信號非線性。如果原始信號本身帶有非線性，它將影響角度線性誤差，如圖 6 所示。一旦 IMC 開始飽和后，就可以觀察到這種非線性。在正常范圍內，非線性的貢獻小于 0.1° 。
• 磁滯。非晶 IMC 結構不會產生能夠測量到的磁滯。因此，可以認為磁滯誤差是零（或者非常小）。

機械誤差 。機械設計需要將移動部分（例如，軸）、磁鐵和 IC 裝配到同一外殼中。除了 IC 線性誤差外，旋轉位置傳感器的誤差預算還需要考慮機械和磁鐵結構的影響。主要貢獻來自于磁鐵圍繞其中心旋轉時相對于感應單元的徑向偏心。

從經驗上，要得到小于 0.3° 的線性誤差（該誤差來自磁鐵與軸的偏離），磁鐵直徑應比最大偏心大 20 倍以上（圖 7 ）。

盡管氣隙變化不會影響線性誤差，但是磁鐵傾斜——與 IC 平面的偏心相結合后，將會引入明顯的誤差。

三軸霍爾傳感器 MLX90316 簡化了非接觸旋轉位置傳感器的設計。三軸霍爾技術可以取代電感和磁阻技術，替換傳統的電阻接觸式分壓計。該技術還能夠實現 1D （例如，線性位置傳感器）、 2D （例如，旋轉位置傳感器）和 3D （例如，操縱桿位置傳感器）傳感器。