傳感器是助力機器與周圍環(huán)境交互的無形推動者，為汽車、工業(yè)機械、智能家居產(chǎn)品和移動電話等設(shè)備的穩(wěn)定運行提供堅實支撐。為了讓日益增長的數(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)來實現(xiàn)精確感知。

為實現(xiàn)高級駕駛輔助系統(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縫融入大規(guī)模生產(chǎn)的機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)自動化以及消費電子領(lǐng)域，最新一代的解決方案正在執(zhí)行越來越復雜的自主操作任務，這再次需要高質(zhì)量的感知解決方案。

25年前，在洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL），一項突破性的創(chuàng)新技術(shù)應運而生。這項技術(shù)旨在克服單平面霍爾效應傳感器的諸多短板，最終發(fā)展成為Triaxis——市場上領(lǐng)先的多軸磁傳感技術(shù)之一。

Triaxis的誕生

在邁來芯Triaxis產(chǎn)品問世20周年之際，本文將回顧從研究實驗室到汽車級產(chǎn)品，并拓展至其他領(lǐng)域的復雜歷程，同時探討當今和未來對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)逐步從純機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向先進的電子控制，油門和制動踏板等系統(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機械系統(tǒng)的運動，還與車輛電子控制單元（ECU）無縫集成。

工業(yè)應用中也出現(xiàn)了類似的發(fā)展趨勢。隨著制造和配送等應用中的機械設(shè)備不斷發(fā)展，融入更快、更復雜的運動模式，需要更先進的傳感器以確保操作能夠準確、安全地進行。

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

然而，EPFL的一個研究團隊，包括邁來芯的Christian Schott，提出了一種理論，即通過結(jié)合集成電路（IC）技術(shù)和磁聚磁器，可以測量磁場的多個分量，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（IMC）的開發(fā)，并將其添加到CMOS芯片中，在霍爾效應傳感的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。通過使傳感器能夠使用單個集成電路測量所有三個磁通量分量——BX、BY和BZ，這項專利技術(shù)實現(xiàn)了從單平面到雙平面，再到全三平面磁傳感的過渡——Triaxis之名因此而來。

通過彎曲和聚焦磁場線，IMC能夠通過芯片的水平霍爾板檢測它們。

CMOS芯片配備了四個霍爾板，每個平面方向在IMC下方有兩個。這種對稱排列方式使得每個磁場分量都可以通過四個板測量的霍爾電壓的線性組合來導出。

在實驗室設(shè)計的早期階段，研究人員嘗試并研究了各種聚磁器形狀，最終選擇了當前的圓盤設(shè)計作為前進的方向。即使在早期開發(fā)階段，該創(chuàng)新也顯示出了其優(yōu)勢，芯片提供了精確的非接觸式線性、旋轉(zhuǎn)甚至3D磁力計讀數(shù)。

擴大解決方案規(guī)模：克服生產(chǎn)和測試難關(guān)

雖然3D磁傳感的前景顯而易見，但擴大生產(chǎn)規(guī)模帶來了獨特的挑戰(zhàn)。對于這項此前從未存在過的技術(shù)，仿真工作無法開展，Christian Schott和他的同事制造的第一個傳感器需要手動組裝。這意味著IMC是手工連接到CMOS芯片上——這是一個勞動密集型且無法擴大規(guī)模的生產(chǎn)過程。

然而，得益于設(shè)計的相對簡單性，邁來芯向大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變相對順利。用Christian的話說，“這項技術(shù)采用了可靠的CMOS技術(shù)，并添加了一個相對低技術(shù)含量的部件”。因此，大部分芯片開發(fā)工作都集中在驗證技術(shù)和增強設(shè)備的精度和功能上。

與任何突破性技術(shù)一樣，測試和校準方法必須從零開始進行開發(fā)。為了應對這一挑戰(zhàn)，邁來芯的EPA團隊開發(fā)了定制的機器，可以產(chǎn)生高速磁波形，以驗證3D磁傳感器的精度和操作性能。

正是原始突破成果與邁來芯的開發(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，邁來芯開始小批量生產(chǎn)第一批Triaxis傳感器，這些芯片最初用于轉(zhuǎn)向角、制動踏板和油門踏板傳感等應用。

Triaxis進軍汽車行業(yè)的時機恰到好處，與當時該行業(yè)的目標完美契合。Triaxis的靈活性使工程師能夠設(shè)計易于制造、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，并長時間保持性能穩(wěn)定性。Triaxis通過160℃的工作溫度限制以及檢測磁通量的多個分量的能力解決了這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了更寬松的機械公差和設(shè)計靈活性，可以使用更小的反饋磁鐵。

第一個型號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。隨著越來越多的制造商認識到該技術(shù)的優(yōu)勢，需求不斷增長，2010年的需求比前一年增長了十倍，這充分證明了該行業(yè)對這項革命性技術(shù)的認可。從那時起，Triaxis技術(shù)又進行了進一步的改進和優(yōu)化。

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

功能安全性也得到了持續(xù)改進，現(xiàn)在的型號支持ASIL C實施，并集成了全套板載診斷功能，以確保安全準確的操作。此外，由于基于霍爾效應原理，這些傳感器非常適合與其他傳感器類型（如感應芯片）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而提高，信噪比（SNR）和精度的進步使Triaxis 芯片能夠在日益苛刻的應用中提供更可靠和強大的性能。

從汽車到機器人：拓展應用視野

邁來芯的Triaxis技術(shù)可以在各種行業(yè)和應用中找到，從游戲機控制器到先進的工業(yè)自動化。然而，Triaxis在其誕生約20年后，其下一個前沿應用領(lǐng)域是機器人技術(shù)。

隨著市場不斷擴大，機器人技術(shù)越來越普及，尤其是與人類密切合作的協(xié)作機器人的出現(xiàn)，市場對提高效率和可重復性的需求日益迫切，同時要求在降低成本的同時，不影響性能或安全性。邁來芯目前正在開發(fā)三種源自經(jīng)過驗證和可靠的汽車Triaxis技術(shù)的新“子”發(fā)明-Tactaxis、Arcminaxis和Elaxis。

Tactaxis：用于機器人的先進力傳感器解決方案

對于工業(yè)機器人和人形機器人來說，處理精細物體，精確的力測量至關(guān)重要。為了滿足這一需求，邁來芯開發(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磁力計組成，本質(zhì)上為機器人帶來了類似人類的觸感。

這種獨特的結(jié)構(gòu)使傳感器能夠檢測作用在其表面上的3D力矢量，并且力分辨率高達2.7mN，它可以檢測微小的變化，例如僅0.3克的重量變化。與競爭的光學觸覺傳感器不同，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)工廠校準的傳感器，從而帶來巨大的成本和可靠性優(yōu)勢。

邁來芯Tactaxis傳感器已經(jīng)成功集成到蘇黎世聯(lián)邦理工學院Faive機器人團隊的人形機器人手中。每個機器人手指都配備了一個3D觸覺傳感器，可以精確檢測物體的滑動，并實現(xiàn)復雜的抓取操作。

Arcminaxis：關(guān)節(jié)控制的精度

Arcminaxis為需要精確關(guān)節(jié)控制的機器人（如工業(yè)機器人和外骨骼）提供了一種解決方案。它為測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，其片上校準通過放寬機械公差簡化了組裝過程。與其他雙磁道角度傳感器不同，邁來芯的設(shè)計有助于降低組裝公差和整體物料清單

Elaxis：緊湊的扭矩傳感

邁來芯Elaxis專為需要在軸上進行扭矩測量的工業(yè)機器人、協(xié)作機器人和外骨骼而開發(fā)。該解決方案提供了一種緊湊且抗雜散磁場的選擇，專為剛性軸設(shè)計。

與其他磁彈性系統(tǒng)相比，這項創(chuàng)新對3D場具有靈敏度，并且是完全集成的，使其既經(jīng)濟高效又易于擴展，以滿足機器人不斷增長的生產(chǎn)需求。

結(jié)論：

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

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