新型三維霍爾傳感器及其在巡檢機器人中的應用

磁場傳感器在機器人、汽車、醫療等行業具有廣泛的重要用途，尤其在磁場精確測量方面至關重要。雖然霍爾效應傳感器因其磁場測量能力而廣受歡迎，但傳統傳感器在同一位置同時測量三維磁場方面存在限制。而這種能力對于精確測量永磁體、電磁體及磁性組件的高梯度磁場至關重要。為克服這一局限，研究人員開發出一種新型cmos磁場傳感器，能在同一點同時測量Bx、By和Bz三個磁場分量。集成的垂直與水平霍爾元件確保了高角度精度及三個測量軸的正交性。偏置采用旋轉電流技術，有效降低了偏移、低頻噪聲和平面霍爾效應。本文所展示的緊湊型3D霍爾傳感器擁有寬廣模擬帶寬、高磁場分辨率以及內置溫度傳感器，適用于3D定位、角度測量、電流檢測以及磁場測量等多個場景。同時，也展示了該傳感器在巡檢機器人附著力控制中的一項具體應用。

水平與垂直霍爾傳感器

霍爾傳感器通常用于磁場測量，但傳統霍爾傳感器只能檢測垂直于傳感器的磁場分量。為實現面內磁場測量，必須集成垂直霍爾板器件。這一思路zui早由Popovic在20多年前提出，并通過CMOS硅技術不斷改進水平與垂直霍爾傳感器的性能。

新版本的垂直霍爾器件相比市場上其他產品具備更優異的信噪比，信號處理后在1kHz頻率下的噪聲電壓譜密度僅為0.8μV/Hz。垂直與水平霍爾元件可通過CMOS技術集成，用于構建多種磁場傳感器，如緊湊的3D霍爾傳感器（提供完整磁場信息）、二維角度傳感器以及用于電流測量的霍爾傳感器。

3D 霍爾傳感器——SENM3Dx

新型的3D霍爾傳感器SENM3Dx可在同一位置同時測量Bx、By和Bz三軸磁場分量。傳感器設計包括三組互為正交的霍爾元件，每組配有專屬的偏置電路和放大器，從而實現僅100 x 100微米的高空間分辨率。

圖1 集成在硅片上的水平霍爾元件(HHE)和垂直霍爾元件(VHE):靈敏體積小。高度相互正交。HHE和VHE的表現相當。

CMOS技術制造的垂直與水平霍爾元件確保了高角度精度和良好的正交性。旋轉電流技術進一步減輕了偏移、低頻噪聲與平面霍爾效應的影響。

該傳感器具有寬帶寬特性（DC至300 kHz）并集成溫度傳感器，封裝于非磁性QFN28封裝中，適用于多種應用場景。

圖2 SENM3Dx傳感器采用非磁性QFN28封裝

瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的機器人系統實驗室（RSL）已將該3D霍爾傳感器集成到巡檢機器人中，顯著提升了機器人在爬墻時的附著力控制能力。

3D傳感器在巡檢機器人中的應用

巡檢機器人廣泛應用于基礎設施的維護、監控與檢測，其中可靠的附著力控制是設計與運行的關鍵，特別是在惡劣、不可預測的環境中。

為提高安全性、準確性、效率與成本效益，廣泛采用配有電控永磁體（EPM）抓手的爬墻機器人。然而，這些機器人通常較重且成本高，因此必須確保其運行時不會跌落。為解決此問題，需要對EPM與支撐表面之間的實際附著力進行反饋測量，這不僅能節能，還能避免在附著不足的區域移動。在這種情況下，提出的估算磁性附著力的方法使用SENIS三維磁場傳感器SENM3Dx。

3D傳感器戰略性地放置在爪腳的邊緣，以探測EPM的邊緣場。利用NAFSA制造的EPM VM65/ND和四個SENM3Dx傳感器建立了粘附力模型并構建了原型，如圖3(a)和(b)所示。通過電磁（EM）模擬確定了z佳傳感器位置，該位置確定了靠近抓爪足座的Max磁場變化位置。

圖3 底視圖中顯示了夾爪腳原型，在PCB和電永磁體(EPM)上有四個等距的SENM3Dx傳感器。這(a)中顯示了一個傳感器的磁軸定義，而(b)顯示了SENIS SENM3Dx傳感器PCB的仰視圖。

考慮到現實shi界的復雜性，粘接力受到各種參數的影響。在這個模型中，重點關注四個顯著影響附著力的關鍵因素：永磁體的強度、EPM和支架之間的氣隙、支架（金屬）的厚度和支撐表面的紋理。

一種新穎的解決方案涉及定義X和Y組件之間的角度，這可以在一定范圍內提供有價值的氣隙距離。具體而言，如圖4a所示，較大的氣隙會導致90°的夾角，而對于較厚的支撐結構，夾角與厚度無關。然而，為了減小氣隙，磁場分量測量中的相對誤差會導致異常值，如圖4a所示。因此，了解這種關系是準確估計攀爬機器人粘附力并確保其安全高效運行的關鍵。

圖4 (a)中示出了各種氣隙的磁角，而(b)顯示了磁場不同氣隙的M值。使用16毫米厚的鋼板作為支撐。

磁場振幅或幅度M的X和Y分量可用于確定粘附力，因為它對于小的氣隙表現出近乎線性的關系(見圖4b)。相比之下，與磁場大小相比，磁場角度為估計粘附力提供了不可靠的數據，因此不用于建立簡單的線性預測模型。因此，磁角可用于估計氣隙距離，而磁場大小可用于確定粘附力。以下事實支持了這一點，即粘附力大致與給定氣隙的磁場大小成比例。

公式給出了附著力預測模型，該模型利用5毫米厚鋼板的數據，基于從2毫米和16毫米金屬板上獲得的磁量級和獨立力測量。該模型表示為氣隙寬度(d)的函數，其中下標表示金屬支撐的厚度。因此，模型F5，pred(d)使用磁性大小(M)和2、5和16毫米厚金屬支架的力測量值(F)來預測5毫米厚金屬板的附著力。

在圖5中，將預測和測量的附著力值作為氣隙距離d的函數進行比較，Max相對誤差為23%。這種精度水平被認為是可以接受的，因為磁鐵的強附著力是出于安全原因而選擇的。這個安全范圍允許在實際應用程序中使用該模型，而無需進一步優化。此外，SENM3Dx傳感器的快速和動態響應使使用自適應模型能夠實時訓練和反應。此外，從一個小而輕的三維磁場傳感器獲得附著力信息是非常方便的。

圖5所示。演示了線性預測模型F5，pred的性能，并將模型（prediction）與各種氣隙d的實測附著力（Measurement）進行了比較

結論與展望

本文展示了一款新型的CMOS三維霍爾磁場傳感器，能夠在單點同時精確測量三個方向的磁場分量。通過三組正交的水平與垂直霍爾元件及獨立電路設計，實現了高空間與角度精度。旋轉電流技術有效抑制了偏移、低頻噪聲及平面霍爾效應。

該傳感器具備寬模擬帶寬和內置溫度傳感器，適用于3D位置檢測、磁測量、角度測量和電流檢測等場合。本文還通過一個實例展示了傳感器在巡檢機器人附著力控制中的強大應用潛力。

SENIS的3D霍爾傳感器憑借性能和高精度，將在下一代磁場測量解決方案中發揮關鍵作用，推動磁測量與傳感技術的進一步發展。

昊量光電與SENIS共同推出的3MH6高精度，低噪聲特斯拉計，就集成了上文提到的霍爾傳感器，還集成了高精度磁場模擬電壓傳感器，具有高水平的溫度補償輸出信號，用于測量磁通密度Bx，By和Bz的三個組成部分。另外在模擬換能器上加一個數字模塊，形成數字特斯拉計，其提供了由主機通過USB串行接口自動采集數據的可能性。通過這種方式，客戶可以使用Basic， C, c++, Delphi， LabVIEW等編程工具輕松地將測量例程集成到測量系統中。溫度測量功能允許用戶在監測磁場的同時獲得當前溫度值。換能器由兩個模塊組成：可互換霍爾探頭和電纜（模塊H）；電子（模塊E）：低噪聲數字特斯拉儀是一種高精度溫度穩定儀器，用于精確測量磁場。每個傳感器都使用連接探頭的單獨校正數據進行校準，因此探頭是可更換的。其非常高的磁直流分辨率：優于1ppm (@2T范圍：平面1µT和垂直分量2µT)（注：更高的分辨率優于0.5uT可用于特殊設備版本3MH6-S，單個測量范圍為100mT）

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