新一代磁性位置傳感器助力無人機(jī)、輕工業(yè)、醫(yī)療以及太空機(jī)器人應(yīng)用

Mark J. Donovan

艾邁斯半導(dǎo)體

在過去幾年里，一系列新的終端市場(chǎng)和應(yīng)用開始涌現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)更高性能位置傳感器的需求。這在磁性位置傳感器IC領(lǐng)域尤為明顯，此類傳感器的供應(yīng)商已經(jīng)響應(yīng)市場(chǎng)的急切呼喚，開始推出新產(chǎn)品，專為快速發(fā)展的機(jī)器人和無人機(jī)市場(chǎng)量身定制。新型磁性位置傳感器更加智能，可提供更高的分辨率和精度，更小更輕，而且功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其前代產(chǎn)品。

霍爾磁性位置傳感器已經(jīng)問世很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但隨著汽車、消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用終端市場(chǎng)的不斷電氣化，它們?nèi)缃裨谶@些應(yīng)用中的使用仍然在增加。例如，在汽車領(lǐng)域，磁性位置傳感器目前用于諸如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、變速器、換檔器、底盤高度、踏板、油量感測(cè)等車輛子系統(tǒng)。而自動(dòng)駕駛車輛的激增只會(huì)促進(jìn)其用量需求；在消費(fèi)領(lǐng)域，它們廣泛用于白色家電的門位置檢測(cè)；在工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域，它們用于為控制系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人提供執(zhí)行器、杠桿和操縱桿位置反饋。此外，在所有市場(chǎng)中，它們都大量用于輔助電機(jī)控制。

磁性位置傳感器得到如此廣泛使用的主要原因是它們可以由低成本的CMOS半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且可以在最惡劣的環(huán)境中提供準(zhǔn)確、可重復(fù)、可靠的位置測(cè)量。磁性位置傳感器不受灰塵、泥土、污垢和液體的影響，并且可以在高溫、高濕的環(huán)境下工作。一些供應(yīng)商，例如艾邁斯半導(dǎo)體，甚至提供免受雜散場(chǎng)影響的磁性位置傳感器。

CMOS磁性位置傳感器已經(jīng)整合進(jìn)各種常見的表面貼裝和單列直插通孔式IC封裝中，對(duì)于上述提到的大多數(shù)應(yīng)用而言，此類封裝已經(jīng)足夠小了。同樣，CMOS磁性位置傳感器的典型功耗耗為幾十毫安。這仍然是傳統(tǒng)汽車、工業(yè)和消費(fèi)類市場(chǎng)可承受的功耗水平。

然而，隨著汽車的快速電氣化，連接到物聯(lián)網(wǎng)的新型消費(fèi)產(chǎn)品層出不窮，工業(yè)設(shè)備和工廠通過使用機(jī)器人和人工智能變得越來越高效和智能化，過去的磁性位置傳感器不再適合?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)人員普遍認(rèn)為，它們的物理尺寸和功耗都過大，而且精度不足以滿足系統(tǒng)的性能目標(biāo)。

當(dāng)前正致力于為輕工業(yè)、醫(yī)療和太空探索等終端市場(chǎng)研制新型機(jī)器人的設(shè)計(jì)工程師，對(duì)傳統(tǒng)的磁性位置傳感器也持相同的看法。在這三個(gè)終端市場(chǎng)中，機(jī)器人設(shè)計(jì)師都需要超小型且超低功耗的磁性位置傳感器，以生產(chǎn)非常小巧的高精度機(jī)器人手臂。機(jī)器人手臂將用來完成復(fù)雜精細(xì)的任務(wù)，例如組裝電子元器件、執(zhí)行各種腹腔鏡手術(shù)，以及在遙遠(yuǎn)的行星上拾取小礦石和沉積物樣品等。

迅速發(fā)展的無人機(jī)市場(chǎng)也是如此，尺寸、重量和低功耗是實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間飛行任務(wù)的關(guān)鍵需求，在無人機(jī)的攝像頭云臺(tái)領(lǐng)域，超小型和超低功耗的磁性位置傳感器尤其必不可少。磁性位置傳感器用于無人機(jī)的攝像頭云臺(tái)，為云臺(tái)的無刷直流電機(jī)提供換向反饋，并提供三維的齒輪角度位置反饋。如果沒有這些磁性位置傳感器，攝像頭的穩(wěn)定性不足以提供令人驚嘆的攝影效果。

幸運(yùn)的是，磁性位置傳感器供應(yīng)商正響應(yīng)客戶和這些新型終端市場(chǎng)的需求，推出了新一代磁性位置傳感器。新型磁性位置傳感器采用超小型封裝，包括晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP），該封裝幾乎與傳感器裸片本身的尺寸相同，這些位置傳感器能夠自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，以便降低整體功耗。

例如，艾邁斯半導(dǎo)體提供了兩款能滿足這些新需求的器件。AS5510線性位置傳感器采用WLCSP封裝，尺寸僅為1.46mm×1.0mm×0.6mm，具有低功耗模式，在此模式下僅消耗25μA電流。同樣，12位精度的AS5055A采用小型QFN-16封裝（4.9mm×6.0mm×1.75mm），具有低功耗模式，在此模式下僅消耗3μA電流。這些特性使AS5055A被廣泛用于需要超小體積和超低功耗的電機(jī)控制系統(tǒng)。該產(chǎn)品目前廣泛用于各種終端市場(chǎng)應(yīng)用的電機(jī)控制領(lǐng)域，包括工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用以及星際空間探測(cè)機(jī)器人。艾邁斯半導(dǎo)體還提供多種磁性位置傳感器的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）解決方案，在這些方案中，傳感器和相關(guān)的去耦電容集成在同一封裝中，實(shí)現(xiàn)“無PCB”設(shè)計(jì)，以獲得更低系統(tǒng)成本和更小外形尺寸的解決方案。

艾邁斯半導(dǎo)體最近也開始提供最新的磁性角度位置傳感器 AS5600L樣品。該產(chǎn)品提供 12 位輸出分辨率，在-40oC至125oC的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的最大INL（積分非線性）誤差僅為±1o，采用 WLCSP（2.07mm×2.63mm×0.6mm）封裝，在自動(dòng)低功耗模式下僅消耗1.5mA電流。以下是 AS5600L 的INL誤差的兩個(gè)示例仿真圖，空隙（Z）為1.5mm，目標(biāo)磁鐵和傳感器自身之間的X/Y偏差不超過±1mm。在圖中可以看到，X/Y零偏差時(shí)，兩個(gè)目標(biāo)磁鐵均可實(shí)現(xiàn)INL誤差＜±0.5o。當(dāng)空隙＜1.5mm時(shí)，INL誤差甚至可以更小。

這種低INL誤差或高精度結(jié)果，以及在寬溫度范圍和目標(biāo)磁通量下的低噪聲和超低功耗，使基于霍爾效應(yīng)的超小型磁性位置傳感器（如AS5600L）能夠滿足當(dāng)今機(jī)器人和無人機(jī)設(shè)計(jì)工程師對(duì)性能和空間的需求。此外，它們還比競(jìng)爭(zhēng)性位置傳感器技術(shù)具有成本優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器人設(shè)計(jì)師正在利用新一代磁性位置傳感器，為各種終端市場(chǎng)（包括醫(yī)療、輕工業(yè)以及地質(zhì)與太空探索）研發(fā)四肢更加小巧靈活的機(jī)器人。肢體小巧的機(jī)器人可以在應(yīng)用中更快、更精準(zhǔn)地拾取和移動(dòng)物體，例如，執(zhí)行輕工業(yè)電子組裝任務(wù)、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腹腔鏡手術(shù)，甚至在遙遠(yuǎn)的行星上拾取小份土壤樣本。具體而言，他們正在使用磁性位置傳感器來提供關(guān)節(jié)電機(jī)換向和齒輪位置反饋。

為了實(shí)現(xiàn)這些小巧的機(jī)器人手臂，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)工程師正在利用柔性印刷電路板將這些小型磁性傳感器IC安裝到機(jī)器人主體的主控制器上，以便向其提供電源和將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送回機(jī)器人主體中的主控制器。

與此類似，新一代磁性位置傳感器也用于無人機(jī)領(lǐng)域。無人機(jī)設(shè)計(jì)人員正在開發(fā)新型三軸攝像頭云臺(tái)，其中采用了許多與智能手機(jī)相同的技術(shù)，以保持?jǐn)z像頭的穩(wěn)定性，從而確保出色的拍攝效果。然而，正是超小型和低功率磁性位置傳感器的使用發(fā)揮著關(guān)鍵作用，提供了攝像頭云臺(tái)的無刷直流電機(jī)和齒輪的三軸位置反饋，以確保飛行和拍攝時(shí)相機(jī)始終保持水平、無振動(dòng)。參見下圖。

總而言之，新一代高精度、小尺寸和低功耗磁性位置傳感器IC使當(dāng)今電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能夠研發(fā)出新型的、功能強(qiáng)大的機(jī)器人和無人機(jī)，從而為許多新市場(chǎng)和應(yīng)用提供服務(wù)。在不久的將來，預(yù)期會(huì)看到小型醫(yī)療機(jī)器人手臂真正地穿入人體內(nèi)部，嫻熟地操作，以切除腫瘤和執(zhí)行其他手術(shù)。在工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)上，我們預(yù)期會(huì)看到輕型智能制造機(jī)器人用于執(zhí)行更復(fù)雜精細(xì)的任務(wù)，如電子裝配。而在無人機(jī)領(lǐng)域，我們會(huì)繼續(xù)看到攝像頭和負(fù)載云臺(tái)的發(fā)展和改良，以支持更高分辨率的攝影，完成更高精度的2D和3D測(cè)繪。