磁位置传感在工业和汽车市场的一系列运动和电机控制应用中已被证明是受欢迎的。各种测量磁通密度的方法已经发展，导致了完全集成的磁位置传感器ic的发展，它将磁传感元件、信号调理和信号处理集成在一个芯片上。
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最新一代的3D磁性位置传感器来自ams AG)使用一对传感器元件(像素)，可以在三维空间中感知磁通量。这些像素基本上与更常见的磁位置传感器上使用的传感元件相同;然而，在这种情况下，有两个位置，间隔2.5毫米。
像素对，加上更复杂的芯片上信号处理算法，使新设备的应用范围比以往任何时候都更广泛。
磁场位置传感
在位置传感方面，磁技术一直比光学传感或接触式(电位器)方法更健壮、更可靠。它不受灰尘、污垢、油脂、振动和湿度的影响，通常在苛刻的汽车和工业应用中发现。
然而，越来越多使用传统磁位置传感器的设计工程师发现自己遇到了一个问题:杂散磁场的干扰。这往往会破坏传感器的输出，或将信噪比(SNR)降低到不可接受的水平。这有重大的影响。仅由杂散磁引起的已知故障风险就会对安全关键设计造成损害，在汽车领域，这种设计必须符合ISO26262标准严格的风险管理要求("道路车辆。功能安全”)。
随着汽车电气化的推广，这种风险也在增加。在车辆中，电机和电缆携带大电流是产生杂散磁的特别强大的来源。(这些同样可以在许多工业应用中找到。)
保护脆弱的磁位置传感器免受杂散磁干扰的措施既繁琐又昂贵。一种新的方法——使传感器对杂散磁场高度免疫——已经被证明是优越的。
保护传感器免受杂散场干扰的传统方法
处理杂散磁场的一种常见方法是简单地屏蔽传感器集成电路。这不是最优方法，原因有二。首先，屏蔽材料不仅与磁杂散场相互作用，而且与与传感器配对的磁铁的磁场相互作用。在一个典型的实现中，成对的磁铁附着在被测量的运动物体上。静态位置传感器将磁通量的变化转换为精确测量的位移，因为成对的磁铁移动或离开它。
不幸的是，屏蔽材料本身可能被磁化，其特性会随着温度的变化而变化。此外，屏蔽材料表现出滞后行为，可能会使成对磁铁的磁通量线偏离传感器。
为了防止屏蔽层的这些寄生特性干扰系统的运行，屏蔽层必须放置在离磁铁一定距离的地方。这限制了系统设计者放置、布线和封装传感器模块组件的自由。它还使系统更大、更重、更复杂、更难组装、更昂贵。
搭配的选择
一种常见的替代方法，不需要屏蔽，是将位置传感器与具有非常高的剩磁(Br)，并在靠近传感器的地方进行组装。根据维基百科的说法，剩磁(或剩余磁化)“是铁磁性材料(如铁)在外部磁场被去除后留下的磁化。”其效果是使信号与杂散场比更有利;它还提高了总体信噪比。
不幸的是，像钕或钐钴制成的强磁铁，比便宜的硬铁氧体或塑料外壳磁铁贵10倍，在许多情况下破坏了位置传感器的经济效益。此外，这个选项不适用于许多应用，这不能适应定位磁铁靠近传感器IC。
双像素传感器ic:内置抗扰度
比这两种方法更好的方法是使传感器对杂散磁免疫。事实上，只要传感器的硬件支持这项技术，一个基本的数学运算就能消除来自杂散磁场的噪声。(此外，智能地放置成对的磁铁，尽可能靠近集成电路，总是有助于增加传感器模块对杂散磁的容错性。然而，获得对杂散场免疫的唯一方法是使用内置该功能的位置传感器。)
具有杂散场抗扰度的磁位置传感器的基本硬件特性是上述的双像素磁传感元件。这种双像素结构可以实现差分测量。每个像素单元可以测量磁场的三个向量:Bx, By和Bz．(图1)如前所述，在ams的AS54xx传感器家族成员中，这两个像素单元的间距仅为2.5 mm。
为了简单地说明数学运算，下面对传感器工作原理的描述集中在一个线性应用上(图2)。在感知直线运动时，设备只需要测量图1中指定的Bx和Bz向量。
传感器IC测量以下值来确定磁铁的位置(图3)：
Bx_Pix0……磁场X矢量;像素0测量
Bx_Pix1……磁场X矢量;像素1测量
Bz_Pix0……zvector of the magnetic field; measured by Pixel 0
Bz_Pix1……zvector of the magnetic field; measured by Pixel 1
根据这些值，传感器IC计算出两个差分信号:Bi(表示x向量)和Bj(表示z向量):
Bi = Bx_Pix0 - Bx_Pix1
Bj = Bz_Pix0 - Bz_Pix1
拒绝野地
为了理解杂散场抑制是如何工作的，想象一个杂散场，b，应用到被测设备上。杂散磁场的源通常比其成对磁铁离传感器IC远得多。这验证了对两个像素单元应用相同的杂散场向量的假设。
下面是相同的Bi和Bj公式，但应用了杂散场b:
很容易看出，b的值对Bi和Bj的值没有影响。b可以简单地从计算中消除，以产生精确的位置测量而不受任何杂散磁场的干扰。这就是位置测量的差分原理。
位置计算
通过ATAN2函数，可以由Bi和Bj的值计算出磁铁的位置(MPos):MPos = ATAN2(- Bj;Bi)．根据维基百科:“ATAN2是带有两个参数的反正切函数。使用两个参数而不是一个参数的目的是收集关于输入符号的信息，以便返回计算角度的适当象限，这对于单参数的反正切函数是不可能的。”
实验结果
更多的经验信息可从ams获得。具有差分传感的双像素磁位置传感器的性能在实验室环境中得到了验证。该测试将包含双像素传感器的汽车位置传感器模块与包含传统单像素传感器的汽车模块的测量结果进行了比较。该模块测量磁铁在传感器IC上方电弧中的运动(图4)．这种类型的测量通常需要在诸如测量汽车的刹车、加速器或离合器踏板的运动等应用中。
在测试中，亥姆霍兹线圈对模块施加杂散场。线圈被配置成在向量Bx、By或Bz中产生已知强度的杂散场。
用示波器测量模块的输出电压。捕获的数据表明，当暴露于杂散场时，单像素传感器IC的误差比双像素IC的误差大30倍以上z方向。
商业Dual-Pixel传感器
ams 'AS54xx系列汽车合格位置传感器规格包括工作温度范围-40°到+150°C，没有温度补偿。非常敏感，它们可以在从5毫特斯拉到100毫特斯拉的大输入范围内操作。当与磁杂散场的高容错相结合时，这就允许使用小而便宜的磁铁。
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然而，双像素差分工作原理并不仅仅提供杂散场抗扰度:它还消除了对温度和时间漂移的补偿需求。这些位置传感器具有14位分辨率，提供了准确性和精度，使其适用于各种各样的应用。
展望未来
在汽车领域，随着车辆传动系统部分或全部电气化，杂散场免疫将成为磁位置传感器越来越重要的特性。ISO11452-8等新标准也增加了挑战。
在这种电磁和机械条件恶劣的环境中，3D双像素传感器ic为设计师提供了实现强大性能和符合最严格的功能安全标准的手段——所有这些都不需要复杂和昂贵的磁屏蔽。
