Melexis 3D磁传感器技术Triaxis的诞生和演变

传感器是助力机器与周围环境交互的无形推动者，为汽车、工业机械、智能家居产品和移动电话等设备的稳定运行提供坚实支撑。为了让日益增长的数字化和电气化世界得以蓬勃发展，我们需要借助各种传感技术来实现精确感知。

为实现高级驾驶辅助系统（ADAS）功能，汽车需要集成一系列精确的传感器。这些传感器不仅能够无缝融入大规模生产的机械组件中还需要与其他类型的传感器协同配合。同样，在工业自动化以及消费电子领域，最新一代的解决方案正在执行越来越复杂的自主操作任务，这再次需要高质量的感知解决方案。

25年前，在洛桑联邦理工学院（EPFL），一项突破性的创新技术应运而生。这项技术旨在克服单平面霍尔效应传感器的诸多短板，最终发展成为Triaxis——市场上领先的多轴磁传感技术之一。

Triaxis的诞生

在迈来芯Triaxis产品问世20周年之际，本文将回顾从研究实验室到汽车级产品，并拓展至其他领域的复杂历程，同时探讨当今和未来对3D磁传感技术的多样化需求。

磁传感的演变

随着汽车技术逐步从纯机械系统转向先进的电子控制，油门和制动踏板等系统的技术要求也发生了变化。车辆系统的日益电气化要求传感器不仅能够检测机械系统的运动，还与车辆电子控制单元（ECU）无缝集成。

工业应用中也出现了类似的发展趋势。随着制造和配送等应用中的机械设备不断发展，融入更快、更复杂的运动模式，需要更先进的传感器以确保操作能够准确、安全地进行。

随着对先进位置传感的新需求出现，改进霍尔效应传感器的研究工作已经在进行中。传统的霍尔效应传感器只能检测垂直于其表面的磁通量，在更复杂的汽车和工业系统中，它们的有效性受到限制。

然而，EPFL的一个研究团队，包括迈来芯的Christian Schott，提出了一种理论，即通过结合集成电路（IC）技术和磁聚磁器，可以测量磁场的多个分量，而不再局限于单一分量。然而，将这一概念转化为可行的技术产品面临着重大挑战。

Triaxis：位置传感的变革者

集磁点（IMC）的开发，并将其添加到CMOS芯片中，在霍尔效应传感的发展中起到了关键作用。通过使传感器能够使用单个集成电路测量所有三个磁通量分量——BX、BY和BZ，这项专利技术实现了从单平面到双平面，再到全三平面磁传感的过渡——Triaxis之名因此而来。

通过弯曲和聚焦磁场线，IMC能够通过芯片的水平霍尔板检测它们。

CMOS芯片配备了四个霍尔板，每个平面方向在IMC下方有两个。这种对称排列方式使得每个磁场分量都可以通过四个板测量的霍尔电压的线性组合来导出。

在实验室设计的早期阶段，研究人员尝试并研究了各种聚磁器形状，最终选择了当前的圆盘设计作为前进的方向。即使在早期开发阶段，该创新也显示出了其优势，芯片提供了精确的非接触式线性、旋转甚至3D磁力计读数。

扩大解决方案规模：克服生产和测试难关

虽然3D磁传感的前景显而易见，但扩大生产规模带来了独特的挑战。对于这项此前从未存在过的技术，仿真工作无法开展，Christian Schott和他的同事制造的第一个传感器需要手动组装。这意味着IMC是手工连接到CMOS芯片上——这是一个劳动密集型且无法扩大规模的生产过程。

然而，得益于设计的相对简单性，迈来芯向大规模生产的转变相对顺利。用Christian的话说，“这项技术采用了可靠的CMOS技术，并添加了一个相对低技术含量的部件”。因此，大部分芯片开发工作都集中在验证技术和增强设备的精度和功能上。

与任何突破性技术一样，测试和校准方法必须从零开始进行开发。为了应对这一挑战，迈来芯的EPA团队开发了定制的机器，可以产生高速磁波形，以验证3D磁传感器的精度和操作性能。

正是原始突破成果与迈来芯的开发创新和新的制造技术方便的努力的结合，才将Triaxis成功转变为一种市场就绪的解决方案。

汽车行业的完美契合

在2000年代中期，迈来芯开始小批量生产第一批Triaxis传感器，这些芯片最初用于转向角、制动踏板和油门踏板传感等应用。

Triaxis进军汽车行业的时机恰到好处，与当时该行业的目标完美契合。Triaxis的灵活性使工程师能够设计易于制造、更可靠且通常更具成本效益的系统。

在汽车行业，传感器必须能够在恶劣条件下工作，并长时间保持性能稳定性。Triaxis通过160℃的工作温度限制以及检测磁通量的多个分量的能力解决了这些挑战，实现了更宽松的机械公差和设计灵活性，可以使用更小的反馈磁铁。

第一个型号MLX90316证明了多轴传感不仅是可行的，而且在商业上也极具潜力。随着越来越多的制造商认识到该技术的优势，需求不断增长，2010年的需求比前一年增长了十倍，这充分证明了该行业对这项革命性技术的认可。从那时起，Triaxis技术又进行了进一步的改进和优化。

随着行业向电动汽车（EV）转型，Triaxis再次展现出强大的发展潜力。传统传感器通常会受到现代电动汽车中使用的高压电缆和电动机引起的干扰。为了克服这一点，第三代Triaxis传感器增加了抗杂散场磁场（SFI）功能。

功能安全性也得到了持续改进，现在的型号支持ASIL C实施，并集成了全套板载诊断功能，以确保安全准确的操作。此外，由于基于霍尔效应原理，这些传感器非常适合与其他传感器类型（如感应芯片）一起部署在安全关键的异构设置中。

精度也随着一代又一代的改进而提高，信噪比（SNR）和精度的进步使Triaxis 芯片能够在日益苛刻的应用中提供更可靠和强大的性能。

从汽车到机器人：拓展应用视野

迈来芯的Triaxis技术可以在各种行业和应用中找到，从游戏机控制器到先进的工业自动化。然而，Triaxis在其诞生约20年后，其下一个前沿应用领域是机器人技术。

随着市场不断扩大，机器人技术越来越普及，尤其是与人类密切合作的协作机器人的出现，市场对提高效率和可重复性的需求日益迫切，同时要求在降低成本的同时，不影响性能或安全性。迈来芯目前正在开发三种源自经过验证和可靠的汽车Triaxis技术的新“子”发明-Tactaxis、Arcminaxis和Elaxis。

Tactaxis：用于机器人的先进力传感器解决方案

对于工业机器人和人形机器人来说，处理精细物体，精确的力测量至关重要。为了满足这一需求，迈来芯开发了Tactaxis，这是一种高度紧凑的3D力传感器，由嵌入弹性体材料中的Triaxis 3D磁力计组成，本质上为机器人带来了类似人类的触感。

这种独特的结构使传感器能够检测作用在其表面上的3D力矢量，并且力分辨率高达2.7mN，它可以检测微小的变化，例如仅0.3克的重量变化。与竞争的光学触觉传感器不同，Tactaxis是一种完全集成的解决方案，这意味着可以大规模生产工厂校准的传感器，从而带来巨大的成本和可靠性优势。

迈来芯Tactaxis传感器已经成功集成到苏黎世联邦理工学院Faive机器人团队的人形机器人手中。每个机器人手指都配备了一个3D触觉传感器，可以精确检测物体的滑动，并实现复杂的抓取操作。

Arcminaxis：关节控制的精度

Arcminaxis为需要精确关节控制的机器人（如工业机器人和外骨骼）提供了一种解决方案。它为测量位置和速度提供了18位分辨率和12位精度。

借助多磁道磁铁，基于Triaxis的位置传感器可确保可靠的性能，其片上校准通过放宽机械公差简化了组装过程。与其他双磁道角度传感器不同，迈来芯的设计有助于降低组装公差和整体物料清单

Elaxis：紧凑的扭矩传感

迈来芯Elaxis专为需要在轴上进行扭矩测量的工业机器人、协作机器人和外骨骼而开发。该解决方案提供了一种紧凑且抗杂散磁场的选择，专为刚性轴设计。

与其他磁弹性系统相比，这项创新对3D场具有灵敏度，并且是完全集成的，使其既经济高效又易于扩展，以满足机器人不断增长的生产需求。

结论：

在过去的20年里，Triaxis技术已经从一个极具前瞻性的概念逐步转变为一个值得信赖的解决方案，提高了多个行业的精度和性能。从汽车系统到机器人技术，Triaxis不断发展，为各类应用提供增强的安全性和控制能力，并实现先进的运动传感功能。

随着自动化和电气化领域的新挑战不断涌现，迈来芯将继续致力于推进多轴磁传感技术的发展，确保Triaxis在智能系统的未来中发挥重要作用。