以垂直霍尔片实现的二维测量

在汽车及工业应用的位置探测领域中，对传感器功能的要求越来越多。传感器在严苛环境下的精确性和稳定性必须持续增强。关于节气门阀、离合器或方向盘的位置探测应用必须尽可能精确地实现。对于短距离（6毫米为上限）或小角度（60度为上限）测量应用，可以使用现有的一维线性霍尔传感器。但对于更大的角度，则需要使用一种新的技术。为此，Micronas开发了两个新的霍尔效应传感器产品系列，HAL36xy和HAL38xy。
上述产品首次使用了所谓的“垂直霍尔片”。我们和Fraunhofer集成电路研究院(FhG IIS)紧密合作，为这种新型传感器专门开发了这些契合Micronas制程的霍尔片。Micronas授权应用了被称为“Hall-in-One”的pixel cell像素技术，并将其调整应用于HAL 36xy/HAL 38xy系列。这些传感器系列包括7个不同的产品，因而覆盖了从离合器位置或空档检测到方向盘角度测量的广泛应用。


图1：3D霍尔技术线性距离测量

Micronas是首家成功将使用“垂直霍尔技术”的传感器引入汽车应用，并且处于领导地位的霍尔效应传感器制造商。
从前，角度测量只能用集成的通量集中器或者复杂双列AMR（各向异性磁阻）传感器来实现，而现在可以用一个标准的CMOS过程来完成。与AMR技术相反，由于垂直霍尔技术的帮助，可以用单个产品就实现对上至360°的角度以及线性距离进行测量。Micronas所开发的方案，其主要优势在于使用了所谓的“pixel cell”像素。它由两个垂直霍尔片和一个水平霍尔片组成。有了pixel cell像素，就可以在一个点上测量三个磁场分矢量。平行于传感器表面的磁力线由垂直霍尔片测量，垂直于传感器表面的磁力线由水平霍尔片测量。
HAL36xy只使用两个垂直霍尔片Bx和By，而HAL38xy使用水平霍尔片以及垂直霍尔片的其中一片。视不同的传感器型号，客户可以选择想要的霍尔片组合。Bx和Bz活跃，或By和Bz活跃。另外，可选择两种输出信号格式（脉宽调制或者模拟信号）。
HAL36xy系列理想的应用是上至360°的角度测量，比如方向盘角度测量。为此，主要使用一个径向充磁的磁铁（见图2），和传感器表面平行传动。两个垂直霍尔片相互垂直放置，同时产生正弦和余弦信号。传感器自动计算反正切数值，并转换为模拟或数字输出信号。


图2：径向充磁的磁铁平行于HAL36xy的表面转动






反正切公式：
输出信号和测得的角度是直接等比例的。基于反正切分析，磁铁的气隙变化和磁铁温度反应对改种测量方法影响极小。这些传感器的设计工作温度范围是–40℃到170℃（裸片温度），并提供多种诊断功能。传感器自带的自检在第一个通电旋转圈进行，确保传感器线路功能正常。传感器可以检测到过压或者欠压状态，并在输出信号中表示出来。用户也可以定义应用的磁场强度范围。如果磁场强度超过了特定范围，传感器可以显示出错信号。该范围可以由用户定义并编程。对传感器的编程是通过一个对用户友好的图形界面软件工具来实现的。
带有垂直和水平霍尔片的HAL38xy主要用于线性位移应用，测量距离可以比磁铁长度长50%。用一个长度为10mm的磁铁，可以测量大于等于15mm的距离。在此应用中，一个轴向充磁的磁铁平行于传感器表面运动（图3）。用合适的磁铁可以进行更长距离的测量。


图3：轴向充磁的磁铁平行于传感器表面运动

在传统的单维度测量传感器应用中，磁铁长度必须要设计成比被测量的位移长30%。因而使用二维传感器所相对增加的成本，会轻而易举地被昂贵磁性材料的节约弥补掉。所以，在提升性能的同时，也实现了成本优势。
HAL38xy另一个可能的应用是在轴边的角度测量。一个径向充磁的磁铁固定在轴上，在传感器边旋转。如果两个磁场反正切计算提供了理想的正弦余弦相关曲线，反正切可以为角度提供一个线性关系。这并不是在所有的应用中都可以实现的。理想的轴边角度测量设置只能通过特殊的磁铁实现。如使用传统的磁铁，则需要在反正切计算之后再进行线性化。为完成这一任务，HAL38xy和HAL36xy提供了32点标定来使得输出信号线性化。
其他的传感器制造商如今也再尝试使用垂直霍尔技术（比如，霍尔开关等简单产品），这一事实证明了该技术的吸引力。Micronas很早就实施了垂直霍尔传感器技术，因而如今成为该领域的市场领导者。随着下一代直接角度传感器的推出，Micronas将扩大其对市场的引领。新一代产品将有进一步改善的角度测量表现，提供更高测量精度，更低的通量密度下限值，使产品可以在弱得多得到磁场中使用。