新一代磁性位置傳感器助力無人機、輕工業、醫療以及太空機器人應用

Mark J. Donovan

艾邁斯半導體

在過去幾年里，一系列新的終端市場和應用開始涌現，推動了對更高性能位置傳感器的需求。這在磁性位置傳感器IC領域尤為明顯，此類傳感器的供應商已經響應市場的急切呼喚，開始推出新產品，專為快速發展的機器人和無人機市場量身定制。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，而且功耗遠遠低于其前代產品。

霍爾磁性位置傳感器已經問世很長一段時間了，但隨著汽車、消費和工業應用終端市場的不斷電氣化，它們如今在這些應用中的使用仍然在增加。例如，在汽車領域，磁性位置傳感器目前用于諸如轉向、制動、變速器、換檔器、底盤高度、踏板、油量感測等車輛子系統。而自動駕駛車輛的激增只會促進其用量需求；在消費領域，它們廣泛用于白色家電的門位置檢測；在工業市場領域，它們用于為控制系統和工業機器人提供執行器、杠桿和操縱桿位置反饋。此外，在所有市場中，它們都大量用于輔助電機控制。

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半導體技術實現，并且可以在最惡劣的環境中提供準確、可重復、可靠的位置測量。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、高濕的環境下工作。一些供應商，例如艾邁斯半導體，甚至提供免受雜散場影響的磁性位置傳感器。

CMOS磁性位置傳感器已經整合進各種常見的表面貼裝和單列直插通孔式IC封裝中，對于上述提到的大多數應用而言，此類封裝已經足夠小了。同樣，CMOS磁性位置傳感器的典型功耗耗為幾十毫安。這仍然是傳統汽車、工業和消費類市場可承受的功耗水平。

然而，隨著汽車的快速電氣化，連接到物聯網的新型消費產品層出不窮，工業設備和工廠通過使用機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。現在的設計人員普遍認為，它們的物理尺寸和功耗都過大，而且精度不足以滿足系統的性能目標。

當前正致力于為輕工業、醫療和太空探索等終端市場研制新型機器人的設計工程師，對傳統的磁性位置傳感器也持相同的看法。在這三個終端市場中，機器人設計師都需要超小型且超低功耗的磁性位置傳感器，以生產非常小巧的高精度機器人手臂。機器人手臂將用來完成復雜精細的任務，例如組裝電子元器件、執行各種腹腔鏡手術，以及在遙遠的行星上拾取小礦石和沉積物樣品等。

迅速發展的無人機市場也是如此，尺寸、重量和低功耗是實現更長時間飛行任務的關鍵需求，在無人機的攝像頭云臺領域，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的攝像頭云臺，為云臺的無刷直流電機提供換向反饋，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，攝像頭的穩定性不足以提供令人驚嘆的攝影效果。

幸運的是，磁性位置傳感器供應商正響應客戶和這些新型終端市場的需求，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進入低功耗模式，以便降低整體功耗。

例如，艾邁斯半導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控制系統。該產品目前廣泛用于各種終端市場應用的電機控制領域，包括工業和消費應用以及星際空間探測機器人。艾邁斯半導體還提供多種磁性位置傳感器的系統級封裝（SiP）解決方案，在這些方案中，傳感器和相關的去耦電容集成在同一封裝中，實現“無PCB”設計，以獲得更低系統成本和更小外形尺寸的解決方案。

艾邁斯半導體最近也開始提供最新的磁性角度位置傳感器 AS5600L樣品。該產品提供 12 位輸出分辨率，在-40oC至125oC的整個工作溫度范圍內的最大INL（積分非線性）誤差僅為±1o，采用 WLCSP（2.07mm×2.63mm×0.6mm）封裝，在自動低功耗模式下僅消耗1.5mA電流。以下是 AS5600L 的INL誤差的兩個示例仿真圖，空隙（Z）為1.5mm，目標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，兩個目標磁鐵均可實現INL誤差＜±0.5o。當空隙＜1.5mm時，INL誤差甚至可以更小。

這種低INL誤差或高精度結果，以及在寬溫度范圍和目標磁通量下的低噪聲和超低功耗，使基于霍爾效應的超小型磁性位置傳感器（如AS5600L）能夠滿足當今機器人和無人機設計工程師對性能和空間的需求。此外，它們還比競爭性位置傳感器技術具有成本優勢。

機器人設計師正在利用新一代磁性位置傳感器，為各種終端市場（包括醫療、輕工業以及地質與太空探索）研發四肢更加小巧靈活的機器人。肢體小巧的機器人可以在應用中更快、更精準地拾取和移動物體，例如，執行輕工業電子組裝任務、實現機器人腹腔鏡手術，甚至在遙遠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節電機換向和齒輪位置反饋。

為了實現這些小巧的機器人手臂，機電一體化設計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安裝到機器人主體的主控制器上，以便向其提供電源和將數據信號傳送回機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領域。無人機設計人員正在開發新型三軸攝像頭云臺，其中采用了許多與智能手機相同的技術，以保持攝像頭的穩定性，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揮著關鍵作用，提供了攝像頭云臺的無刷直流電機和齒輪的三軸位置反饋，以確保飛行和拍攝時相機始終保持水平、無振動。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使當今電氣和機械設計工程師能夠研發出新型的、功能強大的機器人和無人機，從而為許多新市場和應用提供服務。在不久的將來，預期會看到小型醫療機器人手臂真正地穿入人體內部，嫻熟地操作，以切除腫瘤和執行其他手術。在工業機器人市場上，我們預期會看到輕型智能制造機器人用于執行更復雜精細的任務，如電子裝配。而在無人機領域，我們會繼續看到攝像頭和負載云臺的發展和改良，以支持更高分辨率的攝影，完成更高精度的2D和3D測繪。