新型霍尔效应传感器实现360°旋转位置传感

一类新的霍尔传感器能够在单点感应磁通量的所有三个分量。

VINCENT M. HILIGSMANN,
MELEXIS MICROELECTRONIC SYSTEMS

在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器（ IMC ）可以实现高精度 360° 旋转位置传感。三轴霍尔技术结合了集成磁场集中器和高精度、非接触式的高性价比小型旋转位置传感器。 Melexis 的 MLX90316 是第一款三轴系列产品，旨在解决长期困扰 360° 位置传感的问题。

工作原理
普通的水平（或者平面）霍尔传感器只能感应垂直于 IC 表面的磁通量。而三轴霍尔传感器能够在单点感应到磁通量的所有三个分量。

其实现方法是在十字形两对平面霍尔片的中心位置处放置一个直径 200µm 、厚 25µm 的 IMC ，起到传感作用的是霍尔片（图 1A ）。

	> 图 1. 三轴霍尔传感器 （ A ）顶视图显示了 IMC （黄色）和平面霍尔片（蓝色）。
	沿三轴传感器一个轴方向的横截面（ B ）显示了 IMC 和平面霍尔片以及磁力线。

IMC 是非晶材料，在后加工过程中，利用光刻和刻蚀技术在晶片上沉积而成。

IMC 将平行于芯片表面的磁通量（ B // ）转换为正交分量（ B ⊥ ），这一分量由下面的霍尔片进行感应（图 1B ）。只要 IMC 材料没有达到饱和，这种转换就是线性的。平行磁通量大于 70mT 时出现饱和，材料饱和会影响传感器的线性度，但并不是不可逆的。磁通量回到正常范围后，恢复线性特性。 IMC 不存在磁滞现象。

每一对霍尔片直接或者通过 IMC 结构来测量其上的磁通量。提取出每一对霍尔片的信号后，可以低偿磁通量的正交分量（即 B Z ），留下平行分量（即 B X 和 B Y ）。增加信号可以消除水平分量；因此，只感应正交分量。这样，通过简单的运算，就可以测得磁通量的所有三个分量。这就是三轴霍尔的得名。

三轴霍尔器件的运转
作为非接触旋转位置传感器 IC ， MLX90316 只使用旋转磁铁在 IC 上磁通量的平行分量（即 B X 和 B Y ）。

图 2 的结构框图显示了原始霍尔信号 V X 和 V Y 在数字化之前，先通过多路复用斩波放大 。

基于微控制器的数字信号处理（ DSP ）内核进一步处理信号，得到角度信息。角度（ α ）输出为模拟信号（通过 DAC 之后）、数字 PWM 或者串行信号。

当径向磁铁（通过圆形磁铁平面的磁场）在 IC （图 3 ）上面旋转时，磁通分量 B X 和 B Y 将产生两个正交的正弦波（图 4 ）， B X 正比于 cosine(α) ， B Y 正比于 sine(α) 。

原始霍尔信号 V X 和 V Y 分别与 B X 和 B Y 成正比。放大后， MLX90316 的嵌入式 DSP 执行以下运算，得到角度信息：

由于 MLX90316 直接输出其上旋转磁铁的角度位置（最大 360° ），实际上就是传感器 IC 的旋转位置。

方程 1 突出了三轴霍尔技术的两个关键特性：放大后，两路霍尔信号分开；对两路信号的匹配偏差进行补偿，不会影响输出角度的精度。三轴霍尔 IC 不受磁铁热系数的影响，气隙也不会改变，而普通霍尔技术直接受到这些偏差的影响。 MLX90316 还带有 EEPROM ，存储与芯片功能和输出特性相关的参数，模块安装后还可以调整输出传输特性。

旋转位置传感器的性能
任何位置传感器的主要品质因数是线性误差，它包括与理想输出传输特性（即线性）相关的所有偏差。这些偏差涉及到电气、机械、磁场、热效应和器件老化等问题。旋转位置传感器的性能主要受到 IC 固有线性误差和传感器模块组件引入的其他误差的影响。

IC 固有误差 。要评估 IC 的性能，由于 V X 和 V Y 并不与 B X 和 B Y 完全成正比，因此，需要考虑理想公式的偏差（方程 1 ）：

其中， V X0 和 V Y0 反映了原始信号的失调， A X 和 A Y 反映了两个通道的灵敏度失配， β 是垂直（即正交）误差。

结果得到的线性误差由方程 3 给出。

IC 使用 EEPROM 中设置的补偿参数来降低线性误差。图 5 显示了补偿后，残余线性误差每一分量的影响， MLX90316 数据手册对此进行了说明。

> 图 5. （ A ）是一个周期内失调影响最大时的典型曲线 （ B ）是两个周期内的灵敏度失配 （ C ）是两个周期内的正交性

补偿后，除了线性误差之外，还要考虑其他三种影响：

• 温度影响。温度主要影响失调，在热失调漂移规范中，它对误差预算的影响与图 5A 所示的方式相似。灵敏度热系数失配对总误差的贡献是 0.1° 。
• 原始信号非线性。如果原始信号本身带有非线性，它将影响角度线性误差，如图 6 所示。一旦 IMC 开始饱和后，就可以观察到这种非线性。在正常范围内，非线性的贡献小于 0.1° 。
• 磁滞。非晶 IMC 结构不会产生能够测量到的磁滞。因此，可以认为磁滞误差是零（或者非常小）。

机械误差 。机械设计需要将移动部分（例如，轴）、磁铁和 IC 装配到同一外壳中。除了 IC 线性误差外，旋转位置传感器的误差预算还需要考虑机械和磁铁结构的影响。主要贡献来自于磁铁围绕其中心旋转时相对于感应单元的径向偏心。

从经验上，要得到小于 0.3° 的线性误差（该误差来自磁铁与轴的偏离），磁铁直径应比最大偏心大 20 倍以上（图 7 ）。

尽管气隙变化不会影响线性误差，但是磁铁倾斜——与 IC 平面的偏心相结合后，将会引入明显的误差。

三轴霍尔传感器 MLX90316 简化了非接触旋转位置传感器的设计。三轴霍尔技术可以取代电感和磁阻技术，替换传统的电阻接触式分压计。该技术还能够实现 1D （例如，线性位置传感器）、 2D （例如，旋转位置传感器）和 3D （例如，操纵杆位置传感器）传感器。