一种集成型电感式接近传感器的制作方法

本发明属于电感式检测传感，具体涉及一种集成型电感式接近传感器。

背景技术：

1、目前，现阶段市面上量产的电感式接近传感器主要分为分立式器件方案、半集成芯片方案两类，两类方案均存在部分缺陷：分立式器件方案依靠三极管、多路开关管、大量阻容分立元件搭建lc振荡检测、电源转换、信号输出、距离调节回路，元器件数量多，pcb占用空间大；保护电路仅依靠少量外置二极管、tvs实现，防护能力弱；受元器件离散性影响，同批次传感器检测一致性差；依靠分立施密特触发器实现检测回差，滞回窗口无法精准控制，易出现输出抖动或灵敏度大幅下降；感应距离仅能通过更换电阻、滑动变阻器人工调整，无法批量统一校准。半集成芯片方案采用专用检测芯片搭配大量外围分立器件，芯片仅集成基础lc振荡检测功能，仅内置负载过流保护，防反接、稳压、esd防护全部依赖外部元器件；外围阻容、二极管、调节电阻数量依旧较多，整机运行稳定性不足；感应距离同样依靠外置可调电阻调节，无数字化自动标定能力。

2、例如，公开号为cn109839057a的发明，公开了一种基于ldc16xx芯片的全金属电感式接近传感器，该方案采用ldc检测芯片外加stm8单片机双芯片架构配合机械调节螺钉实现距离微调。然而，该方案仍存在不足之处，双芯片组合架构，外围配套元器件数量多，传感器pcb体积大，不利于小型化封装；芯片内部未集成完整电源保护，均依靠外部防护电路；温度补偿功能依赖外置单片机软件算法实现，无专用片内温度采样与硬件补偿逻辑。

3、因此，提出一种集成型电感式接近传感器，以解决上述现有技术存在的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有电感式接近传感器中分立式方案与半集成方案存在的外围元器件数量多、保护功能薄弱、感应距离依赖人工调节且无法批量数字化标定、温度补偿依赖外置软件算法的问题，提出一种集成型电感式接近传感器。

2、本发明的进一步目的为，通过一颗全集成asic芯片整合电源管理、lc振荡信号采集与量化、数字滤波与滞回控制、感应距离数字化标定与温度补偿、全维度片内保护以及驱动输出全部功能模块，使整机外围元器件精简至仅保留lc谐振探头、ntc温度分压回路、电源rc滤波及状态指示led，从而显著提升传感器集成度、一致性与环境适应性，并实现感应距离的自动化批量校准。

3、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种集成型电感式接近传感器，包括：一颗全集成asic芯片，所述asic芯片内部集成五个功能模块；所述asic内置模块包括：内部电源转换模块、信号采集模块、数字控制模块、感应距离校准模块、输出驱动与片内保护模块；

4、asic芯片外部设置有外部lc谐振探头、状态指示led、 ntc温度分压回路与电源rc滤波回路；所述lc谐振探头由电感l1、振荡电容c1并联构成，用于产生高频交变电磁场，金属目标靠近时谐振振幅衰减；所述asic仅搭配极简无源外围电路，无需额外分立器件搭建电源稳压、感应距离调节、硬件保护回路。

5、作为优选，所述asic内部的内部电源转换模块集成低压差线性稳压器ldo、上电复位单元por、高精度低温漂参考电压源；所述ldo支持32v高压输入并转换为芯片内部低压工作电源；por实时监控输入电压，电压稳定后释放复位信号避免误触发；所述参考电压源为芯片全部模拟电路提供基准电压。

6、作为优选，所述asic内部的信号采集模块包含lc采样单元、trim_lc频率校准单元、trim_ref基准微调单元、信号比较器、temp-adc温度采样单元；所述asic设置lc1、lc2检测引脚，10uh电感l1与100nf振荡电容c1并联接地后两端分别接入lc1、lc2引脚构成lc谐振探头；两组trim单元消除线圈、元器件生产离散偏差；比较器将模拟谐振信号转换为数字脉冲；temp-adc配合外部ntc热敏电阻完成环境温度模拟信号采集。

7、作为优选，所述asic内部的数字控制模块集成数字计数器、数字滤波器；所述数字计数器将lc谐振振幅量化为16位proximity数字量，数值越小代表金属目标距离探头越近；所述数字滤波器滤除电磁干扰噪声，同时通过软件配置数字滞回窗口替代分立元件施密特触发器，精准控制检测输出回差。

8、作为优选，所述asic内部的感应距离校准模块集成otp一次性可编程存储器、校准逻辑单元、温度补偿单元、i2c通信单元与寄存器组；所述asic单独引出sda、sck引脚作为i2c硬件通讯端口；所述otp存储器永久存储感应导通阈值、关断阈值、全温区温度修正参数，掉电数据不丢失；温度补偿单元内置温度增益修正因子gcf与温度查找表lut；i2c通信单元复用传感器外部电源线缆实现无额外引脚配置与标定。

9、作为优选，所述asic内部的输出驱动与片内保护模块集成pmos控制单元、nmos控制单元、led驱动单元、片内esd保护电路；所述asic对外引出pout高边输出引脚、nout低边输出引脚，pout引脚外接10k上拉电阻r4至vdd电源端，兼容npn/pnp两类输出场景；asic设置专用iled引脚，状态指示led1一端接iled引脚、一端接地；片内集成esd、过流、防反接、过压全维度保护，省去所有外置保护分立器件。

10、作为优选，整机asic芯片外部还设置有：ntc温度分压回路，由ntc热敏电阻与固定电阻r2串联分压接入asic的ntc引脚；电源rc滤波回路，由电阻r1、电容c3组成并接入vdd电源输入端；asic的vout引脚外接1uf电容c2至地；asic的option引脚直接接地，com引脚对外引出公共接线端；整机无外置滑动变阻器、分压电阻用于调节感应距离；引脚2、8、13为nc空引脚，不外接任何器件。

11、作为优选，所述感应距离校准模块的标定逻辑架构为：将标准金属物体置于预设导通距离、关断距离分别采样，对应两组16位proximity数值分别写入导通阈值寄存器、关断阈值寄存器，再统一存储至otp存储器；传感器正常工作时实时对比采样数字量与存储阈值，自动控制pout、nout开关输出。

12、作为优选，所述温度补偿单元采用全域分段标定以及多项式插值修正架构；标定区间覆盖-40℃~125℃，以5℃为单位采集增益修正因子gcf，对未实测温度点通过多项式拟合插值补齐全部档位gcf并存入lut查找表；传感器运行时调取对应温度gcf实时校正proximity采样值，补偿全温区感应距离漂移。

13、作为优选，所述i2c通信单元复用成品传感器引出的vdd、pgnd、pout线缆实现通信交互，无需额外预留专用通信引脚；成品组装完成后可直接通过成品线缆在线完成感应距离标定，补偿线圈绕制、铁芯、灌胶、组装工艺带来的整机一致性偏差。

14、其中，感应距离校正实现原理具体为，传感器通电后回路产生固定频率、固定基准振幅的交变电磁场；芯片对lc振荡的振幅做占空比数字化转换，振幅转为16位proximity数值（由proximity_msb高8位、proximity_lsb低8位组成），数值越小，代表金属距离越近；将目标金属物体精准放置在预设导通距离（人为定义的开关触发物理位置），位置固定后进行采样；再将目标金属物体退至指定关断距离，对应的数字量写入释放阈值寄存器。芯片记录上述数据后保存，后续在使用中传感器就可根据写入值进行开关输出判定。

15、感应距离温补实现整体采用全域温度采样、增益修正因子(gcf)、温度查找表(lut)相结合的修正方案，通过预先标定不同温度下的修正系数，运行时实时校正采样值；将传感器放入可编程温箱，在-40℃~125℃区间，以5℃为间隔逐点控温；待每个温度点稳定后，同步读取两组寄存器数据；选取室温作为基准温度t0，该温度下的proximity采样值记为基准值x0，对其余任意温度t，按公式计算对应增益修正因子；针对未实际采样的5℃整数倍温度点，对实测gcf与温度做多项式拟合，通过插值计算补齐所有温度档位的gcf值，保证全温区每个档位都有对应修正系数。

16、本发明的有益效果为：

17、高度集成化，将电源转换、振荡采样、距离校准、温度补偿、输出驱动及全维度保护集成于一颗asic芯片，整机外围仅需lc探头、ntc电阻、rc滤波及led，大幅缩减pcb面积，利于小型化；

18、芯片内集成esd、过流、防反接、过压保护，无需外部分立保护器件，整机抗电源冲击与抗静电能力显著增强；

19、通过otp存储导通/关断阈值数字量实现数字化距离标定，有效补偿生产偏差，保证批量产品开关距离高度一致；

20、采用-40℃~125℃全域标定结合gcf与lut硬件补偿，运行时实时校正采样值，有效抑制温度漂移。