飞鸽传书的启示：汽车磁位置传感器无所不能_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-08-03 10:31
人类是地球物质文明和精神文明的创造者，我们经常认为自己的智力远远高于其他生物，但其实不然，事实证明有些动物的某些方面甚至比人类要强。例如：传书的信鸽并不是靠眼睛辨别方向，而是凭借地球磁场来确定方位。所以，自古以来信鸽就被广泛用于航海、捕捞及军事信息传递。
今天，科技进步让人具备了赶上甚至超过某些动物的能力，磁性位置感知就是这样一种技术。那么，在汽车和工业领域，这一技术又是怎样实现各种非接触式位置传感的呢？
什么是磁位置传感技术？
磁传感是利用霍尔元件的霍尔效应来检测磁场的技术。其原理是，当将垂直于电流的磁场施加于流过电流的物体时，就会在与电流和磁场正交的方向上出现电动势。当将电流施加到薄膜半导体时，通过霍尔效应输出与磁通密度及其方向相对应的电压即可检测磁场。
磁场及其变化可采用霍尔传感器检测，然而传统霍尔效应传感器只能感测垂直于元件表面的磁通量密度，并且通常需要采用复杂的磁场结构，且在较宽温度范围（被测磁铁热漂移）面临精度方面的挑战。
Triaxis®革新磁位置传感技术
如何解决上述磁传感技术弊端呢？致力于微电子工程研究的Melexis（迈来芯）利用其获得专利的Triaxis®磁性传感器技术，用单个传感器进行精密度极高的三轴磁场测量，适用于种类繁多的线性、角度和三维应用。目前，Triaxis®传感器芯片已发展到第三代，基于前两代进行了改进，获得了客户广泛赞誉。
三轴磁场测量通过集磁点（IMC）技术实现，使用上述三个磁分量可以创建二维或三维传感器以确定旋转（角度）、线性（行程），甚至是操纵杆型的运动及三维磁力计，实现输出独立的磁性组件。
Triaxis®的磁性位置传感技术革新体现在哪些方面呢？
杂散场抗扰能力：通过杂散场免疫模式，Triaxis®传感器可显著降低或消除电动汽车中其他磁体或载流导体产生的杂散场影响，分别使用四极或两极磁体支持轴上旋转或线性运动。这种免疫模式减少了设计限制，可满足电动汽车对杂散场高达4kA/m的要求。适用苛刻环境：芯片工作温度高达160℃，可用于暴露于高温环境的执行器（如涡轮增压器、废气阀门），其强化线性化能力可最大限度减少机械装配公差造成的精度误差。功能安全不可或缺：Melexis的Triaxis®系列提供适合于所有安全应用的传感器芯片。根据ISO 26262标准，可提供高达ASIL-C安全等级的传感器芯片解决方案。
Triaxis®传感器芯片的优势包括：
体积小：能够在高温环境运行，通过调整片上磁角计算支持多种感测应用，角计算测量对温度变化及磁和机械（如气隙、偏心）公差都很稳健。额外校准保证高精度：由于片上参数可在模块组装后校准，能获得优异的线性和精度。可使用各种磁铁形状和化学物质实现高灵敏度、灵活性和高精度。装配灵活：支持几乎任何朝向安装，实现平面集成电路三维磁场测量，可使用更小的磁铁。非接触式感测：对污垢、灰尘、油类、气体等不敏感，可使用塑料包覆成型或灌封防止污染，保证很长的使用寿命。
助推各种应用创新
特性也好，功能也罢，最后都要落地于应用。Triaxis®位置传感器可实现各种独特感测解决方案，涵盖汽车、医疗、工业、家庭和建筑自动化。
以汽车应用为例，Triaxis®传感器芯片适用于转向角、踏板位置、电子节气门体、EGR阀、变档杆、涡轮增压执行器、电机位置、底盘高度等。
除乘用车外，Triaxis®还支持农业车辆和设备、操纵杆、人机界面、重型车辆、叉车、机器人、轮椅、工业起重机等应用创新。
功能独到自然备受应用工程师青睐。2019年5月，Melexis的Triaxis®位置传感器芯片累计出货超过10亿颗。这当中其SMD封装、无PCB封装，以及从行业标准到先进封装的多种选择功不可没。
DMP、SMP和无PCB解决方案通过焊接直接连接引线框集成，不使用PCB，从而优化封装，降低系统成本，提高可靠性。
车载爆款一触即发
对技术的无限热忱和灵感迸发的工程设计是技术创新的关键。Melexis正在将先进混合信号半导体传感器和执行器元件融为一体，应对新一代产品及系统在集成感测、驱动和通信元件时遇到的种种挑战，以增强安全性，提高效率和应用便捷性。
2021年6月，Melexis非接触式位置传感器Triaxis®系列再添两款新品——MLX90421和MLX90422，通过了AEC-Q100认证并满足ASIL-B要求。两款芯片专为动力总成执行器、踏板定位、燃油油位计和变速箱等成本敏感型汽车应用打造，在功能安全和EMC特性方面能力出众，特别是支持高温运行。
两款单片磁性位置处理器芯片由Triaxis®霍尔磁性前端、模数信号调理器、用于高级信号处理的DSP和输出级驱动器（SENT）组成。它可准确感测施加到芯片上的磁通量密度的三个分量，并通过正确的磁路解码任意移动磁体的绝对位置（如0到360度旋转位置），用来设计面向汽车和工业应用的非接触式位置传感器。
除磁感测元件外，新款位置传感芯片还内置数据转换和数字信号处理模块，并配备可编程输出级驱动器。经过适当配置，芯片可以精确测定旋转或线性位置。MLX90421提供比率式模拟输出或脉宽调制（PWM）输出，将传感器组装到应用中，通过多点可编程线性化功能对其进行编程，可提高系统精度。
MLX90421框图
MLX90422支持符合SAE J2716单边半字节传输（SENT）协议输出。按照安全传感器（Secure Sensor）格式编码的SENT帧，其电路可传达提供错误代码和用户定义值的增强型串行消息。
两款芯片的运行环境温度范围扩展至-40℃至160℃，这意味着可以部署在热量更高的动力舱内，符合汽车行业发动机小型化的趋势。传感器芯片完全符合ISO26262功能安全指南，通过SEooC支持ASIL-B安全级别。
为确保EMC测试一次成功，新款芯片沿用了Melexis MLX9037x产品的成熟设计，只需要一个测试周期，设计过程耗时更短，且可以最大限度节约工程成本。绝对最大额定值（AMR）方面的改进，如-18V/-34V输出保护和-18/-37V电源保护，有助于降低电气过载风险。
MLX90421和MLX90422提供SOIC-8和无PCBDMP-4形式单芯片封装。这些封装选项向后兼容公司之前的器件，可实现直接替代。对于需要系统冗余的安全关键型应用，芯片还支持全冗余双芯片TSSOP-16封装。
MLX90422可作为绝对旋转位置传感器、绝对线性位置传感器、液位传感器和非接触式电位计，用于成本敏感的汽车应用，包括动力传动系统执行器、踏板定位、油门位置、车身高度位置、变速器位置和方向盘位置，也适用于工业应用。汽车认证包括AEC-Q100 0级和ISO26262 ASIL-B SeooC。
产品易于迭代是创新的另一个重要方面，两款芯片与前几代Triaxis®位置传感器芯片引脚兼容，可进行大规模生产编程。
Melexis inside
Melexis的重点关注是汽车半导体传感器，目前全球生产的每辆新车平均搭载13颗Melexis芯片。如今，第三代Triaxis®系列已发展到4种不同封装和7种输出协议的15款产品，支持汽车和工业产品中的各种位置感测应用。客户有了更多的选择，Melexis inside也将更多地走进未来的智能联网车辆。