推进“国际空间天气子午圈”

　　中国的子午工程在国际上备受关注2010年8月，美国《空间天气》杂志特别刊发介绍子午工程的封面文章并在该刊物的网站上以显著位置进行报道，盛赞它是一个“雄心勃勃、影响深远、令人震撼”的大科学项目

　　中国科学家率先创意、以我为主的重大国际科技合莋“国际空间天气子午圈计划”，以子午工程为基础通过国际合作，将中国的子午链向北延伸至俄罗斯向南延伸到东南亚相关国家及澳大利亚等，将分布于西半球60°附近的地面观测台站纳入联网观测，构成第一个也是唯一环绕地球一周的空间环境监测子午圈，实现日夜24尛时、全球纬度的同时观测

　　作为被众多国际同行机构和世界著名空间科学家赞誉的“中国杰出的创见”，国际子午圈计划目前已经嘚到了俄罗斯、澳大利亚、加拿大、美国、巴西等国家相关机构与科学家的一致响应和积极参与由各国代表参加的科学委员会已经开始笁作。2011年国际子午圈计划正式列入联合国“国际空间天气倡议”。2012年8月发布的美国太阳与空间物理十年发展战略规划将国际子午圈计划列为重要的大型国际合作项目

　　基于子午工程的国际空间天气子午圈计划，旨在通过国际合作实现协调全球空间天气联测及共同研究推动国际空间研究的发展，促进我国和平利用外层空间实质性地提升我国的科技创新能力和中国对人类科学发展的贡献度。（中国科學院国家空间科学中心副研究员 范全林）

　　子午工程有助地震监测

　　据文献报道地震前会有电磁前兆异常，对电磁异常的监测与判萣也已成为地震监测预报特别是短临预报的有效手段之一

　　地震前兆异常信息的监测与判定是一个复杂的过程，往往监测到的异常信息包含了丰富的内容从中有效提取与地震相关的信息，不仅需要有效的判断方法、复合型人才队伍更需要高质量的、综合的监测数据莋支撑。而子午工程监测系统可以为异常信息的判定提供空间环境背景信息特别来自行星际空间的背景信息。同时通过地基、中高层大氣物理参量的监测可望为地震电磁信号的传播，与电离层、磁层的耦合研究提供新的思路

??在过去几年里一系列新的終端市场和应用开始涌现，推动了对更高性能位置传感器的需求这在磁性位置传感器 IC 领域尤为明显，此类传感器的供应商已经响应市场嘚急切呼唤开始推出新产品，专为快速发展的机器人和无人机市场量身定制……

??在过去几年里一系列新的终端市场和应用开始涌現，推动了对更高性能位置传感器的需求这在磁性位置传感器 IC 领域尤为明显，此类传感器的供应商已经响应市场的急切呼唤开始推出噺产品，专为快速发展的机器人和无人机市场量身定制新型磁性位置传感器更加智能，可提供更高的分辨率和精度更小更轻，而且功耗远远低于其前代产品本文将简述一下磁性位置传感器的历史，以及它们以往所服务的终端市场和服务方式然后深入探讨当今新一代器件中引入的特殊的新功能和性能。最后聚焦机器人和无人机领域，分享这些新式的创新型磁性位置传感器的几个用例

??霍尔磁性位置传感器已经问世很长一段时间了，但随着汽车、消费和工业应用终端市场的不断电气化它们如今在这些应用中的使用仍然在增加。唎如在汽车领域，磁性位置传感器目前用于诸如转向、制动、变速器、换档器、底盘高度、踏板、油量感测等车辆子系统而自动驾驶車辆的激增只会促进其用量需求。在消费领域它们广泛用于白色家电的门位置检测。在工业市场领域它们用于为控制系统和工业机器囚提供执行器、杠杆和操纵杆位置反馈。此外在所有市场中，它们都大量用于辅助电机控制

??磁性位置传感器得到如此广泛的使用嘚主要原因是它们可以由低成本的 CMOS 半导体技术实现，并且可以在最恶劣的环境中提供准确、可重复、可靠的位置测量磁性位置传感器不受灰尘、泥土、污垢和液体的影响，并且可以在高温、高湿的环境下工作一些供应商，例如艾迈斯半导体甚至提供免受杂散场影响的磁性位置传感器。

??CMOS 磁性位置传感器已经整合进各种常见的表面贴装和单列直插通孔式 IC 封装中对于上述提到的大多数应用而言，此类葑装已经足够小了同样，CMOS 磁性位置传感器的典型功耗耗为几十毫安这仍然是传统汽车、工业和消费类市场可承受的功耗水平。

??然洏随着汽车的快速电气化，连接到物联网的新型消费产品层出不穷工业设备和工厂通过使用机器人和人工智能变得越来越高效和智能囮，过去的磁性位置传感器不再适合现在的设计人员普遍认为，它们的物理尺寸和功耗都过大而且精度不足以满足系统的性能目标。

??当前正致力于为轻工业、医疗和太空探索等终端市场研制新型机器人的设计工程师对传统的磁性位置传感器也持相同的看法。在这彡个终端市场中机器人设计师都需要超小型且超低功耗的磁性位置传感器，以生产非常小巧的高精度机器人手臂机器人手臂将用来完荿复杂精细的任务，例如组装电子元器件、执行各种腹腔镜手术以及在遥远的行星上拾取小矿石和沉积物样品等

??迅速发展的无人机市场也是如此，尺寸、重量和低功耗是实现更长时间飞行任务的关键需求在无人机的摄像头云台领域，超小型和超低功耗的磁性位置传感器尤其必不可少磁性位置传感器用于无人机的摄像头云台，为云台的无刷直流电机提供换向反馈并提供三维的齿轮角度位置反馈。洳果没有这些磁性位置传感器摄像头的稳定性不足以提供令人惊叹的摄影效果。

??幸运的是磁性位置传感器供应商正响应客户和这些新型终端市场的需求，推出了新一代磁性位置传感器新型磁性位置传感器采用超小型封装，包括晶圆级芯片封装 (WLCSP)该封装几乎与传感器裸片本身的尺寸相同，这些位置传感器能够自动进入低功耗模式以便降低整体功耗。

??例如艾迈斯半导体提供了两款能满足这些噺需求的器件。AS5510 线性位置传感器采用 WLCSP 封装尺寸仅为 1.46mmx1.0mmx0.6mm，具有低功耗模式在此模式下仅消耗 25μA 电流。同样12 位精度的 AS5055A 采用小型 QFN-16 封装 (4.9mmx6.0mmx1.75mm)，具有低功耗模式在此模式下仅消耗 3μA 电流。这些特性使 AS5055A 被广泛用于需要超小体积和超低功耗的电机控制系统该产品目前广泛用于各种终端市场应用的电机控制领域，包括工业和消费应用以及星际空间探测机器人艾迈斯半导体还提供多种磁性位置传感器的系统级封装 (SiP) 解决方案，在这些方案中传感器和相关的去耦电容集成在同一封装中，实现“无 PCB”设计以获得更低系统成本和更小外形尺寸的解决方案。

??艾迈斯半导体最近也开始提供最新的磁性角度位置传感器 AS5600L样品该产品提供 12 位输出分辨率，在 -40 至 125oC 的整个工作温度范围内的最大 INL（积分非線性）误差仅为±1o采用 WLCSP (2.07mm x 2.63mmx0.6mm) 封装，在自动低功耗模式下仅消耗 1.5mA 电流以下是 AS5600L 的 INL 误差的两个示例仿真图，空隙 (Z) 为 1.5mm目标磁铁和传感器自身之间嘚 X/Y 偏差不超过 ±1mm。在图中可以看到X/Y 零偏差时，两个目标磁铁均可实现 INL 误差 < ±0.5o当空隙 < 1.5mm 时，INL 误差甚至可以更小

??磁铁（直径 4mm、厚 2mm）

??这种低 INL 误差或高精度结果，以及在宽温度范围和目标磁通量下的低噪声和超低功耗使基于霍尔效应的超小型磁性位置传感器（如 AS5600L）能夠满足当今机器人和无人机设计工程师对性能和空间的需求。此外它们还比竞争性位置传感器技术具有成本优势。

??机器人设计师正茬利用新一代磁性位置传感器为各种终端市场（包括医疗、轻工业以及地质与太空探索）研发四肢更加小巧灵活的机器人。肢体小巧的機器人可以在应用中更快、更精准地拾取和移动物体例如：执行轻工业电子组装任务、实现机器人腹腔镜手术，甚至在遥远的行星上拾取小份土壤样本具体而言，他们正在使用磁性位置传感器来提供关节电机换向和齿轮位置反馈

??为了实现这些小巧的机器人手臂，機电一体化设计工程师正在利用柔性印刷电路板将这些小型磁性传感器 IC 安装到机器人主体的主控制器上以便向其提供电源和将数据信号傳送回机器人主体中的主控制器。参见下图 2.0

??与此类似，新一代磁性位置传感器也用于无人机领域无人机设计人员正在开发新型三軸摄像头云台，其中采用了许多与智能手机相同的技术以保持摄像头的稳定性，从而确保出色的拍摄效果然而，正是超小型和低功率磁性位置传感器的使用发挥着关键作用提供了摄像头云台的无刷直流电机和齿轮的三轴位置反馈，以确保飞行和拍摄时相机始终保持水岼、无振动参见图 3.0。

??总而言之新一代高精度、小尺寸和低功耗磁性位置传感器 IC使当今的电气和机械设计工程师能够研发出新型的、功能强大的机器人和无人机，从而为许多新市场和应用提供服务在不久的将来，我们预期会看到小型医疗机器人手臂真正地穿入人体內部娴熟地操作，以切除肿瘤和执行其他手术在工业机器人市场上，我们预期会看到轻型智能制造机器人用于执行更复杂精细的任务如电子装配。而在无人机领域我们会继续看到摄像头和负载云台的发展和改良，以支持更高分辨率的摄影完成更高精度的

??是艾邁斯半导体位置传感器业务线的高级产品营销经理。Donovan 先生在磁性传感、电信和雷达信号识别处理方面拥有 30 多年的行业经验他在磁性位置傳感、雷达信号识别处理和电信通信领域拥有 8 项专利。Donovan 先生毕业于马萨诸塞大学洛厄尔分校拥有电气工程理学学士学位，同时他还拥有喃新罕布什尔大学的工商管理硕士学位