磁性位置感測器是汽車設計工程師很喜歡採用的元件，因為這類元件有許多優點，不僅可靠，而且即使周圍震動或是環境遭受污染，還是能提供精準的角位移測量數值。為滿足不同汽車功能的需求，磁性位置感測器供應商不斷推出更新、更多樣的產品。
本文所探討的是如何將磁性位置感測器，修改成符合電子式節流閥體這個特定應用的需求。
在使用汽油引擎的汽車裡面，進入引擎的空氣量都是透過一般稱為蝶型閥(Butterfly Valve)的節流閥來調節。燃料與空氣必須穩定混合，節流閥才能控制引擎每一循環的燃燒狀況並排放較少的廢氣。節流閥通常位於進氣歧管(Intake Manifold)入口，在某些較為先進的系統中，節流閥也可能被整合為電子式節流閥體(ETB)。
舊型柴油引擎中，燃料未經氣流控制就被噴射注入汽缸；現今柴油引擎則在進氣歧管端，配置一個用來支援汽車廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation, EGR)的節流閥。控制汽機車排放的廢氣，不僅能夠降低燃燒溫度，還可符合近期空氣品質管制法規降低氮氧化合物(NOx)排放要求。
電子式節流閥有助節能減碳
 |
| 圖1 汽車油門踏板與機車把手的節流閥控制架構 |
如圖1所示，汽車駕駛人不會直接控制節流閥，因為在駕駛踩下油門踏板後，訊號是透過機械式連結或電子式連結傳送到電子式控制單元(ECU)；而機車的感測器測量會追蹤加速器把手旋轉角度的連動位置；然而，電子式控制單元會透過電動致動器(Motorized Actuator)精準調節閥門的角度，讓效能或是廢氣排放達到最佳化。點火器關閉時會有一個強力固定彈簧來維持閥門關閉，而閥門關閉的位置通常被稱為低位機械停置點(Lower Mechanical Stop, LMS)。
最大的開啟角度就被稱為高位機械停置點(Upper Mechanical Stop, UMS)。而低位機械停置點到高位機械停置點的幅度通常約為90o。節流閥位置感測器不僅能偵測此閥門的絕對角度，還能提供穩定、準確的訊號給電子式控制單元。
傳統接觸式設計精度低 非接觸式感測器漸抬頭
傳統的角度測量系統是採用有三端點(VDD、OUT、GND)的電位計來測量節流閥位置。但是電位計的主要缺點來自於它的運作模式：電位計會產生一個與轉動軸角度成正比的類比電壓，然而，轉動軸的角度是刷子滑過圓形電阻板產生，這會讓電位計容易受到灰塵與磨損影響。所以電位計會因為相對低的精準度與耐久度，而不受注重安全的汽車系統製造商青睞。
因此，汽車系統製造商現在改用霍爾效應感應技術的非接觸式感測器。在磁性位置感測器中，有一個兩極(SN)的磁性碟片固定在閥門的轉動軸上。它的角度位置是由並列的IC感測器偵測磁鐵與感測器之間微小的空氣間隙。磁性位置感測器不僅不會有機械式磨損，而且不受灰塵或油脂污染的影響。
電子式節流閥體磁性感測器為了維持與既有電子式控制單元與電位計接口的相容，除了要能產生成比例的類比訊號外，也須要配備一組三端點拓撲。
在量產時，位置感測器必須在生產線末端做好程式設定，才能配置所需要的輸出電壓坡度。例如，VDD從10%到90%時跨越低位機械停置點到高位機械停置點的幅度。
車用位置感測器條件大不同
 |
| 圖2 雙層晶粒架構能提供單一封裝內的備援功能 |
電子式節流閥體使用的位置感測器有幾個特殊的需求條件。雖然一般工業及消費性用途位置感測器有電子式節流閥體所需的精準度，但是無法提供要求安全的汽車環境額外所需功能，這也正是汽車零件市場上開始出現新型強化位置感測器的原因。
第一個特殊要求條件為備援性(Redundancy)。一個雙重備援感測器是注重功能安全的電子式節流閥體系統不可或缺的；在機車的節流閥系統甚至可能需要三重備援。圖2顯示使用非接觸式感測器AS5262可提供所需的備援性，其是針對節流閥與踏板位置感應所量身訂製的位置感測器，可以由單晶粒或是雙層堆疊晶粒(Dual Stacked Dies)所製成。雙晶粒型AS5262可以利用晶片間的介電墊片做到完全電氣絕緣，而且它的架構優勢在於：因為兩層晶粒可測量到幾乎完全相同的磁場值，因此經由簡單的比較就能偵測到任一晶片的任何故障。
這顆IC通常被焊接在貼附於節流閥體塑膠蓋上的印刷電路板(PCB)上；此塑膠蓋有提供外部電纜線將感測器連結至電子式控制單元的連接器；磁鐵固定在閥門的轉動軸上。將感測器裝在節流閥蓋的作用，在於可將磁鐵與二或三個晶粒對齊，而磁鐵與晶粒之間的距離則由系統決定。
 |
| 圖3 AS5262所產生的電壓輸出與角度呈線性正比 |
電子式節流閥體應用的第二項要求，則是必須有精確的類比輸出。例如AS5262所提供的輸出電壓範圍從VDD的10%到90%時，低位機械停置點到高位機械停置點的幅度可達90o。換句話說，其12位元輸出與角度呈線性正比。在360o旋轉中IC內部實際角度檢測可以達到14位元解析度；90o旋轉可以達到12位元的解析度，已經能夠應用到電子式節流閥體；在22.5o的範圍內提供10位元的解析度，則是汽車加速器踏板或是機車把手中能被測量到的最大角度(圖3)。
AS5262的高解析度輸出能讓電子式控制單元精確地調節節流閥開口，所以可以對駕駛在加速器踏板上的動作準確地做出反應。線性式輸出不需要有複雜的補償演算法，就能讓電子式控制單元簡單進行處理。
電子式節流閥體應用的第三項要求是，不僅要符合汽車產業ISO 26262功能安全性標準，還能支援額外的功能。這些要求包括：
| ‧ |
|
| |
例如在診斷功能中包括磁性偵測、斷線偵測，以及提供頻段為0%～4%或96%～100%的VDD診斷訊號。 |
| ‧ |
|
| ‧ |
|
| |
許多磁性位置感測器在四周裝有遮罩來保護，或者也可以採用一種有專利的差動式感應技術(Differential Sensing Technology)，這種技術在元件內使用霍爾式感測器的兩對差動對(Differential Pairs)，一對是給SN向量磁場(Magnetic Vector Field)的x(cosine)組件用，另外一對是給SN磁場的y(sine)組件用。內部的數位訊號處理器會比較x及y的數值，然後計算出SN磁場的角度或是幅度。因為感測器是使用比較值而不是絕對值，所以不會受到雜散磁場的影響。 |
定義可容許的最大誤差
汽車製造商的電子式節流閥體規格書，總會在理想曲線的任一側包含一項可容許的積分非線性(Integral Non-Linearity, INL)誤差頻段；通常INL必須小於VDD的1%。在生產線末端(EOL)的程式設定，是必須定義橫跨整個閥門的旋轉幅度內電壓訊號範圍。
一般的方式是將節流閥體分別設置在低位機械停置點及高位機械停置點的位置上，並且讀取由IC所測量到的角度，然後在軟體中相應設定電壓訊號的範圍。這將可促使系統的INL誤差小於VDD ±1%。
AS5262元件也可以針對更嚴格的精準度，支援在低位機械停置點、高位機械停置點以及中間點等位置上的多點校正。雖然需要更多的時間，但能使INL的誤差小於VDD的±0.5%。
換句話說，如果僅在低位機械停置點位置上進行單點校正，速度可以較快。但這僅適用於目標INL誤差大於VDD±1%。
電子式控制單元藉由讀取在低位機械停置點上的電壓輸出來自我校正，但這僅在目標INL誤差大於VDD±1%，或是當電子式控制單元具備學習能力時才適用。
多方考量磁鐵選擇
 |
| 圖4 被使用在磁性位置感測器的兩種磁鐵類型 |
在非接觸式位置感應系統內，磁鐵是一項就如同霍爾效應感測器般重要的元件；而且在電子式節流閥體的應用中，系統開發人員須針對磁鐵相關方面做出重要選擇。
如圖4，因為磁場可能會被減弱及扭曲，因此徑向磁化(Diametric Magnetisation)的磁鐵是無法直接與鐵製轉動軸接觸。這表示有必要在磁鐵與轉動軸之間隔離，所以用塑膠、銅、黃銅或鋁等非磁性材料支架隔離3毫米(mm)是必要的。徑向磁鐵一般是由溫度係數非常低的釤鈷磁石(SmCo)或是釹鐵硼磁石(NdFeB)所製成。磁鐵與感測器間的名目氣隙(Air Gap)距離一般是1～2毫米。
相反地，單面磁化的磁鐵可以被直接固定在鐵製的轉動軸上。單面磁鐵一般是由釹鐵硼磁石與NeoFer 48/60p此類塑膠化合物所混製而成，直徑為16毫米，而厚度是2.5毫米；並且有非對稱的磁力線。而且因為磁場集中在單側，所以它可以在磁鐵與感測器間支援達3毫米的較大氣隙。
AS5262感測器可與上述任一種磁鐵類型共同運作，它僅需要位在IC內部霍爾感測器所在位置的1.25毫米半徑內，有30?70mT的垂直磁場(Bz)即可。
磁鐵及磁鐵尺寸的選擇由機構設計的公差而定。使用較大型的磁鐵可以提供寬公差的橫向位移以及較低的INL，而較厚的磁鐵則可以增加磁場的強度。擁有微小氣隙1.5毫米、直徑8毫米及厚度3毫米的徑向釤鈷磁鐵可以對此良好運作，並且INL 小於VDD 1%。
以上介紹的這類電子式節流閥體，在非接觸性位置感應技術中要求特別嚴格，須具備高效能、可靠性及功能性安全。系統設計人員藉由可客製化的磁性位置感測器，將更容易達到準確性、精確性及信賴度等效能量測規格。
(本文作者任職於奧地利微電子)