傳感器是助力機(jī)器與周圍環(huán)境交互的無(wú)形推動(dòng)者，為汽車、工業(yè)機(jī)械、智能家居產(chǎn)品和移動(dòng)電話等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)支撐。為了讓日益增長(zhǎng)的數(shù)字化和電氣化世界得以蓬勃發(fā)展，我們需要借助各種傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確感知。

為實(shí)現(xiàn)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能，汽車需要集成一系列精確的傳感器。這些傳感器不僅能夠無(wú)縫融入大規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)械組件中還需要與其他類型的傳感器協(xié)同配合。同樣，在工業(yè)自動(dòng)化以及消費(fèi)電子領(lǐng)域，最新一代的解決方案正在執(zhí)行越來(lái)越復(fù)雜的自主操作任務(wù)，這再次需要高質(zhì)量的感知解決方案。

25年前，在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL），一項(xiàng)突破性的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這項(xiàng)技術(shù)旨在克服單平面霍爾效應(yīng)傳感器的諸多短板，最終發(fā)展成為Triaxis——市場(chǎng)上領(lǐng)先的多軸磁傳感技術(shù)之一。

Triaxis的誕生

在邁來(lái)芯Triaxis產(chǎn)品問(wèn)世20周年之際，本文將回顧從研究實(shí)驗(yàn)室到汽車級(jí)產(chǎn)品，并拓展至其他領(lǐng)域的復(fù)雜歷程，同時(shí)探討當(dāng)今和未來(lái)對(duì)3D磁傳感技術(shù)的多樣化需求。

磁傳感的演變

隨著汽車技術(shù)逐步從純機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向先進(jìn)的電子控制，油門和制動(dòng)踏板等系統(tǒng)的技術(shù)要求也發(fā)生了變化。車輛系統(tǒng)的日益電氣化要求傳感器不僅能夠檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，還與車輛電子控制單元（ECU）無(wú)縫集成。

工業(yè)應(yīng)用中也出現(xiàn)了類似的發(fā)展趨勢(shì)。隨著制造和配送等應(yīng)用中的機(jī)械設(shè)備不斷發(fā)展，融入更快、更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，需要更先進(jìn)的傳感器以確保操作能夠準(zhǔn)確、安全地進(jìn)行。

隨著對(duì)先進(jìn)位置傳感的新需求出現(xiàn)，改進(jìn)霍爾效應(yīng)傳感器的研究工作已經(jīng)在進(jìn)行中。傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器只能檢測(cè)垂直于其表面的磁通量，在更復(fù)雜的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，它們的有效性受到限制。

然而，EPFL的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，包括邁來(lái)芯的Christian Schott，提出了一種理論，即通過(guò)結(jié)合集成電路（IC）技術(shù)和磁聚磁器，可以測(cè)量磁場(chǎng)的多個(gè)分量，而不再局限于單一分量。然而，將這一概念轉(zhuǎn)化為可行的技術(shù)產(chǎn)品面臨著重大挑戰(zhàn)。

Triaxis：位置傳感的變革者

集磁點(diǎn)（IMC）的開(kāi)發(fā)，并將其添加到CMOS芯片中，在霍爾效應(yīng)傳感的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)使傳感器能夠使用單個(gè)集成電路測(cè)量所有三個(gè)磁通量分量——BX、BY和BZ，這項(xiàng)專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從單平面到雙平面，再到全三平面磁傳感的過(guò)渡——Triaxis之名因此而來(lái)。

通過(guò)彎曲和聚焦磁場(chǎng)線，IMC能夠通過(guò)芯片的水平霍爾板檢測(cè)它們。

CMOS芯片配備了四個(gè)霍爾板，每個(gè)平面方向在IMC下方有兩個(gè)。這種對(duì)稱排列方式使得每個(gè)磁場(chǎng)分量都可以通過(guò)四個(gè)板測(cè)量的霍爾電壓的線性組合來(lái)導(dǎo)出。

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的早期階段，研究人員嘗試并研究了各種聚磁器形狀，最終選擇了當(dāng)前的圓盤(pán)設(shè)計(jì)作為前進(jìn)的方向。即使在早期開(kāi)發(fā)階段，該創(chuàng)新也顯示出了其優(yōu)勢(shì)，芯片提供了精確的非接觸式線性、旋轉(zhuǎn)甚至3D磁力計(jì)讀數(shù)。

擴(kuò)大解決方案規(guī)模：克服生產(chǎn)和測(cè)試難關(guān)

雖然3D磁傳感的前景顯而易見(jiàn)，但擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。對(duì)于這項(xiàng)此前從未存在過(guò)的技術(shù)，仿真工作無(wú)法開(kāi)展，Christian Schott和他的同事制造的第一個(gè)傳感器需要手動(dòng)組裝。這意味著IMC是手工連接到CMOS芯片上——這是一個(gè)勞動(dòng)密集型且無(wú)法擴(kuò)大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程。

然而，得益于設(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單性，邁來(lái)芯向大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變相對(duì)順利。用Christian的話說(shuō)，“這項(xiàng)技術(shù)采用了可靠的CMOS技術(shù)，并添加了一個(gè)相對(duì)低技術(shù)含量的部件”。因此，大部分芯片開(kāi)發(fā)工作都集中在驗(yàn)證技術(shù)和增強(qiáng)設(shè)備的精度和功能上。

與任何突破性技術(shù)一樣，測(cè)試和校準(zhǔn)方法必須從零開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)發(fā)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，邁來(lái)芯的EPA團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了定制的機(jī)器，可以產(chǎn)生高速磁波形，以驗(yàn)證3D磁傳感器的精度和操作性能。

正是原始突破成果與邁來(lái)芯的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和新的制造技術(shù)方便的努力的結(jié)合，才將Triaxis成功轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N市場(chǎng)就緒的解決方案。

汽車行業(yè)的完美契合

在2000年代中期，邁來(lái)芯開(kāi)始小批量生產(chǎn)第一批Triaxis傳感器，這些芯片最初用于轉(zhuǎn)向角、制動(dòng)踏板和油門踏板傳感等應(yīng)用。

Triaxis進(jìn)軍汽車行業(yè)的時(shí)機(jī)恰到好處，與當(dāng)時(shí)該行業(yè)的目標(biāo)完美契合。Triaxis的靈活性使工程師能夠設(shè)計(jì)易于制造、更可靠且通常更具成本效益的系統(tǒng)。

在汽車行業(yè)，傳感器必須能夠在惡劣條件下工作，并長(zhǎng)時(shí)間保持性能穩(wěn)定性。Triaxis通過(guò)160℃的工作溫度限制以及檢測(cè)磁通量的多個(gè)分量的能力解決了這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了更寬松的機(jī)械公差和設(shè)計(jì)靈活性，可以使用更小的反饋磁鐵。

第一個(gè)型號(hào)MLX90316證明了多軸傳感不僅是可行的，而且在商業(yè)上也極具潛力。隨著越來(lái)越多的制造商認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需求不斷增長(zhǎng)，2010年的需求比前一年增長(zhǎng)了十倍，這充分證明了該行業(yè)對(duì)這項(xiàng)革命性技術(shù)的認(rèn)可。從那時(shí)起，Triaxis技術(shù)又進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。

隨著行業(yè)向電動(dòng)汽車（EV）轉(zhuǎn)型，Triaxis再次展現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α鹘y(tǒng)傳感器通常會(huì)受到現(xiàn)代電動(dòng)汽車中使用的高壓電纜和電動(dòng)機(jī)引起的干擾。為了克服這一點(diǎn)，第三代Triaxis傳感器增加了抗雜散場(chǎng)磁場(chǎng)（SFI）功能。

功能安全性也得到了持續(xù)改進(jìn)，現(xiàn)在的型號(hào)支持ASIL C實(shí)施，并集成了全套板載診斷功能，以確保安全準(zhǔn)確的操作。此外，由于基于霍爾效應(yīng)原理，這些傳感器非常適合與其他傳感器類型（如感應(yīng)芯片）一起部署在安全關(guān)鍵的異構(gòu)設(shè)置中。

精度也隨著一代又一代的改進(jìn)而提高，信噪比（SNR）和精度的進(jìn)步使Triaxis 芯片能夠在日益苛刻的應(yīng)用中提供更可靠和強(qiáng)大的性能。

從汽車到機(jī)器人：拓展應(yīng)用視野

邁來(lái)芯的Triaxis技術(shù)可以在各種行業(yè)和應(yīng)用中找到，從游戲機(jī)控制器到先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化。然而，Triaxis在其誕生約20年后，其下一個(gè)前沿應(yīng)用領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)。

隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越普及，尤其是與人類密切合作的協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)，市場(chǎng)對(duì)提高效率和可重復(fù)性的需求日益迫切，同時(shí)要求在降低成本的同時(shí)，不影響性能或安全性。邁來(lái)芯目前正在開(kāi)發(fā)三種源自經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和可靠的汽車Triaxis技術(shù)的新“子”發(fā)明-Tactaxis、Arcminaxis和Elaxis。

Tactaxis：用于機(jī)器人的先進(jìn)力傳感器解決方案

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人和人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，處理精細(xì)物體，精確的力測(cè)量至關(guān)重要。為了滿足這一需求，邁來(lái)芯開(kāi)發(fā)了Tactaxis，這是一種高度緊湊的3D力傳感器，由嵌入彈性體材料中的Triaxis 3D磁力計(jì)組成，本質(zhì)上為機(jī)器人帶來(lái)了類似人類的觸感。

這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使傳感器能夠檢測(cè)作用在其表面上的3D力矢量，并且力分辨率高達(dá)2.7mN，它可以檢測(cè)微小的變化，例如僅0.3克的重量變化。與競(jìng)爭(zhēng)的光學(xué)觸覺(jué)傳感器不同，Tactaxis是一種完全集成的解決方案，這意味著可以大規(guī)模生產(chǎn)工廠校準(zhǔn)的傳感器，從而帶來(lái)巨大的成本和可靠性優(yōu)勢(shì)。

邁來(lái)芯Tactaxis傳感器已經(jīng)成功集成到蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Faive機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的人形機(jī)器人手中。每個(gè)機(jī)器人手指都配備了一個(gè)3D觸覺(jué)傳感器，可以精確檢測(cè)物體的滑動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的抓取操作。

Arcminaxis：關(guān)節(jié)控制的精度

Arcminaxis為需要精確關(guān)節(jié)控制的機(jī)器人（如工業(yè)機(jī)器人和外骨骼）提供了一種解決方案。它為測(cè)量位置和速度提供了18位分辨率和12位精度。

借助多磁道磁鐵，基于Triaxis的位置傳感器可確保可靠的性能，其片上校準(zhǔn)通過(guò)放寬機(jī)械公差簡(jiǎn)化了組裝過(guò)程。與其他雙磁道角度傳感器不同，邁來(lái)芯的設(shè)計(jì)有助于降低組裝公差和整體物料清單

Elaxis：緊湊的扭矩傳感

邁來(lái)芯Elaxis專為需要在軸上進(jìn)行扭矩測(cè)量的工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和外骨骼而開(kāi)發(fā)。該解決方案提供了一種緊湊且抗雜散磁場(chǎng)的選擇，專為剛性軸設(shè)計(jì)。

與其他磁彈性系統(tǒng)相比，這項(xiàng)創(chuàng)新對(duì)3D場(chǎng)具有靈敏度，并且是完全集成的，使其既經(jīng)濟(jì)高效又易于擴(kuò)展，以滿足機(jī)器人不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。

結(jié)論：

在過(guò)去的20年里，Triaxis技術(shù)已經(jīng)從一個(gè)極具前瞻性的概念逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)值得信賴的解決方案，提高了多個(gè)行業(yè)的精度和性能。從汽車系統(tǒng)到機(jī)器人技術(shù)，Triaxis不斷發(fā)展，為各類應(yīng)用提供增強(qiáng)的安全性和控制能力，并實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)傳感功能。

隨著自動(dòng)化和電氣化領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，邁來(lái)芯將繼續(xù)致力于推進(jìn)多軸磁傳感技術(shù)的發(fā)展，確保Triaxis在智能系統(tǒng)的未來(lái)中發(fā)揮重要作用。