技術飛速發展，眾多機器人公司如雨後春筍般湧現。每一個機器人都離不開位置感測器的精準掌控，目前位置感測器最主要的應用領域主要集中在汽車、機器人、無人機以及傳統工業中電位器、旋鈕之類的應用。
2024年10月，沙烏地阿拉伯未來投資倡議(FII)大會，在談及AI和人形機器人時，馬斯克再一次大膽預測，描繪出2040年，人形機器人的數量或將超過人類，達到100億個的未來景象，且預估每台機器人的價格將穩定在2~2.5萬美元之間。
當下，技術飛速發展，眾多機器人公司如雨後春筍般湧現。每一個機器人關節的背後，都離不開位置感測器的精準掌控，市場的潛力，讓人憧憬不已。在工業及消費性的部分人形機器人，由於低轉速應用，艾邁斯歐司朗(ams OSRAM)的AS5600位置感測器就足以勝任(圖1)。
圖1 低轉速的工業及消費市場典型應用案例
而在部分高轉速的工業應用中(圖2)，比如機械手臂，ams OSRAM的電感式位置感測器AS5715R因為可以實現穿心的安裝方式，被普遍採用。高精確度位置感測器從人形機器人、無人機到新能源汽車等應用需求逐漸提升。以磁性位置感測器和電感式位置感測器兩個方案作為雙輪驅動，產業潛力無窮。
圖2 高轉速的工業及消費市場典型應用案例
新能源車成應用開拓主力
目前位置感測器最主要的應用領域主要集中在汽車、機器人、無人機以及傳統工業中電位器、旋鈕之類的應用。現階段業務最集中、也是最重要的一塊就是新能源汽車中和角度、轉速以及位置相關的應用(圖3)。
圖3 位置感測器主要應用領域
在電氣化革命演進愈發深入的當下，新能源車中特別是在電橋系統、煞車執行器、乾式煞車器、電動協助轉向(EPS)和驅動馬達等關鍵部件中，位置感測器無處不在(圖4)。此外，新能源車上還衍生出不少基於位置感測器的創新應用，比如熱管理系統。以全球領先的新能源車公司為代表，將熱管理系統的所有熱量分配整合至TMS或GHS的大型系統中，而這個系統也會整合眾多小型無刷直流馬達(BLDC)。
圖4 位置感測器推動電氣化大趨勢
在無刷直流馬達中，磁性位置感測器確保了馬達在複雜環境下的穩定運行，為新能源車的高效能源利用和舒適駕乘體驗提供了有力保障。
列舉幾個較為重要的應用範例。
電動協助轉向EPS應用
從圖5的安裝位置可以看出，磁性位置感測器和磁鐵之間緊密相鄰，而磁鐵下方的BLDC馬達是靠近磁鐵走線的，因此其產生的雜散磁場干擾是比較強烈的，對位置感測器的晶片感應會影響較大。但是磁性位置感測器能在這種應用場合下工作得非常好，保持高精確度，對外部磁場干擾的免疫。特別是在一部分高階車型中，由於駕乘體驗升級而帶來的應用，也離不開位置感測器的加持。
圖5 電動協助轉向EPS系統
磁性位置感測器
圖6的動態高速主動避震阻尼系統，系統中包含一個功率為幾千瓦的馬達，其中就用到了磁性位置感測器，以實現轉速、位置的測量。特別是在磁鐵和位置感測器之間還放置了一個金屬結構件，即使在這類特殊應用場合下，仍然能實現很好的感應。事實上，伴隨著汽車電氣化、智慧化的革命，位置感測器也遇見了更大的舞臺。
圖6 磁位置感測器應用
位置感測器
底盤行車高度的測量是比較熱門的應用，而且為了測量車身的高度，一般一輛車會裝有四顆位置感測器。從圖7可看出，該款位置感測器採用的是SIP封裝，簡單說就是插針式封裝，由於不需要電路板的安裝環境，因而可以將整個感測器做得很小，而更適合應用於緊湊型空間中。
圖7 位置感測器應用
對於底盤行車高度的測量，主要是為了檢測車身高度，進而調節車燈的燈光對人臉的照射角度，避免直接照到人臉或者漏掉某個周邊環境，從類似這樣的細節入手，大幅提升了駕乘者和周圍環境參與者的整體用戶體驗。儘管位置感測器在傳統燃油車時代就已早早上車，但已有場景的再升級，以及伴隨EV出貨量不斷湧現的人性化設計新需求，都給位置感測器帶來更多流量。
技術應用要點
在應用案例介紹中，磁性位置感測器效能突出的一大關鍵點就是—抗外部磁場干擾能力。磁性位置感測器就是基於霍爾效應，在一個圓周上面布置了四顆平面霍爾單元，同時，這四顆平面霍爾只感應Bz方向。基於圖8所呈現的Bz方向的差分感應原理，確保感測器對Bx方向和By方向的雜散磁場做到絲毫不受影響。
圖8 Bz方向的差分感應原理
對於Bz方向的雜散磁場干擾，在做差分運算的時候，一個雜散磁場是共模的，一個方向是增加Bz，另外一個方向是減小Bz，所以當做差分運算時，這個共模的訊號基本上可以百分之百地消除掉，只剩下原本沒有受到磁場干擾的Bz。這也是在磁性位置感測器晶片布置四個平面霍爾單元的目的。
正是基於這樣的特殊設計，廠商如ams OSRAM的磁性位置感測器即使在大馬達、高電壓的使用條件下，外部磁場環境很惡劣，依然可以做到不需要額外的屏蔽措施。磁性位置感測器可以達到20,000A/m的抗干擾能力，相較市面其他產品幾乎是20倍的效能優勢。
在極強的抗外部磁場干擾的能力之外，封裝的創新也值得一提。SIP封裝(圖9)，一方面針對結構緊湊的應用，另一方面也適用於為了節約成本，將一些被動元件整合到了位置感測器晶片管腳的處理，同時插針式的封裝形式，在後端可以直接採用電阻焊或者鉚接製程實現連接，大幅降低BOM成本。
圖9 SIP封裝
另一個雙模封裝(圖10)，其實就是垂直方向的雙Die設計。不同於市面上平行擺放的雙Die設計，由於水平方向的位置差異，在測量轉速或者角度時，會導致不對稱的誤差輸出，雙模封裝可以充分解決此類問題。此外，當兩個Die在垂直方向排列擺放時，磁場不論是往垂直於該平面的X方向偏，抑或往Y方向偏，晶片端感應到的磁場始終是對稱的，由此也能始終保持高精確度。
圖10 雙模封裝
新能源車驅動馬達
針對新能源汽車中的驅動馬達，它的設計多為通孔，也就是馬達的驅動軸要從電路板中穿心而過來安裝。在這類應用場景中，電感式位置感測器就會發揮出最大優勢。電感式位置感測器最主要就是針對上述新能源車上的大馬達應用，或者緊湊型的需要穿心安裝的空間環境場景。
在精確度和可靠性之外，AS5715R最突出的特色就是設計的靈活性，既可以滿足穿心安裝，也可以實現半圓或者四分之一圓形的偏心軸安裝。目前客戶需求很多，這主要源於在混合動力車型中的應用。在混合動力車型中，馬達的空間很緊湊，而若要做成一個圓形電路板，勢必尺寸又大，成本又高，因此扇形方案便成為很好的選擇。
(本文由艾邁斯歐司朗ams OSRAM提供)