3D智能传感器(3D霍尔传感器)

 

电子发烧友网报道（文/李宁远）霍尔效应传感器是诸多传感器类别中非常庞大的一类传感，尤其在位置传感应用上，霍尔效应传感应该是市面上最多的那一类选择。虽然目前电机也有很多无传感器的方案，但在绝大多数对运控有高要求的系统里，传感技术还是少不了的而且很大程度上决定了系统的性能上限。准确、快速和可靠的传感测量是实现实时精准控制的前提。

从霍尔开关、速度霍尔、电流霍尔，到线性/角度霍尔、3D霍尔，各类霍尔传感以霍尔效应为基础，将被测非电量参数转化为电量参数，灵敏性足够的同时稳定性也很可靠。现阶段，霍尔传感器已经由传统的单个霍尔元件阶段发展到集成电路阶段，广泛应用于汽车工业、自动化、信息处理等各个领域。

不断攀升的3D霍尔位置传感需求

传统的霍尔位置传感，只对某一方向上的磁场敏感，传感器焊接到PCB上之后如果磁场并不是单向的，那么很难说获取到的位置信息是精准的。3D霍尔正是为了解决这种问题，顾名思义，3D霍尔可以检测X，Y和Z轴的磁场，对任何方向放置的磁体都是敏感的。由此得来的绝对位置信息相比传统霍尔传感精度更高，结果更可靠。3D霍尔效应传感器的应用实现了对完整磁场的感应，使得任何3D运动的绝对位置检测成为可能。

尤其是在工业以及汽车领域智能化、集成化的趋势之下，采用新型霍尔结构的3D霍尔传感器的需求不断攀升。在高度集成的自动化系统里，位置信息需要实时同步收集用于控制流程，具有更高精度、速度和能效的3D位置感应技术可以快速实现精确的实时控制以提高系统效率和性能。

在汽车领域，3D霍尔位置传感器能为ADAS系统提供更高精度的转向、制动、变速箱和节气门系统等，是汽车电气化、智能化快速增长的关键器件。在工业领域，最典型的应用就是机器人。工业机器人正朝着多轴发展，多轴机器人关节数量的增多对高分辨率、高效的电机转向反馈需求也越来越大。正是这些实时精准的位置控制需求推动了3D霍尔效应传感器的不断发展。

3D霍尔效应位置传感应用

如果将3D霍尔效应位置传感器用来监控电机轴，那传感器的相关参数对系统的控制、带宽和延迟有很直接的影响。有些传统的传感系统为了实现更高的精度通常需要以较低的速度运行。为了避免传感器在数据吞吐量和误差上做权衡进而影响系统性能，3D霍尔传感器内会集成ADC通过精密的信号链来实现高精度和低漂移磁场测量，然后再通过片上温度传感器数据进行系统级漂移补偿，在不牺牲性能的情况下实现高精度。在工业、汽车应用里这种高吞吐量下的高精度无疑很吃香。

在工业、汽车应用里磁轴和温度的组合灵活性也很重要，比如TDK可配置HAR 39xx系列、TI的灵活配置TMAG5170 系列都可以通过可选磁性灵敏度范围以及温度补偿选项为磁性和机械设计提供灵活性。

在智能家居，建筑安全系统里，3D霍尔传感的应用也不少。确保足够的测量精度和速度，同时消耗尽可能少的功率，是3D霍尔在这种应用里最看重的，因为传统磁传感的功耗往往会占用这种低功耗系统总功率的一大部分。比较典型的就是用于检测门窗开关并测量距离，通过嵌入在传统门铰链中的环形磁铁和线性三维霍尔效应位置传感器可以实现。在这种应用里，3D霍尔传感应放置可以在低功率5 Hz模式或以下低频运行以确保系统的低功耗。

可能有人说，传统的2D角度传感也能实现这样的测量，为何要用3D呢？在这种应用里，确实只用了两个灵敏度监测角度轴进行测量，但线性3D传感第三个轴的好处在于可以用于检测恶意磁篡改，大大提高整个门禁系统的安全性。

3D霍尔传感前景可期

我们可以看到，目前市面上可以提供3D霍尔效应的传感器厂家相比于传统霍尔传感厂商并不算多。传统霍尔向3D霍尔转变的技术挑战还是很大的，测量3D磁场是难度很大，因为用于X和Y方向的霍尔传感器元件在标准半导体工艺中制造工艺复杂。而且如何协调三个不同的轴也同样富有挑战。如何从根本上做好三个轴的速度、匹配和测量精度之间的权衡是做好3D霍尔传感的关键。

虽然技术上有难关，但随着3D运动和控制的发展，越来越多的场景里开始需要多轴传感，3D霍尔传感开始从工业自动化领域、汽车ADAS领域开始逐步延伸向更多的应用领域。市场对3D感测的需求推动了各厂商在3D霍尔的技术创新与差异化发展。应用场景越来越多，未来的需求也会更多，随着各厂商差异化的3D霍尔陆续推出，3D霍尔传感器的前景值得期待。

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