線性霍爾效應(yīng)傳感器能為消費(fèi)者技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來高價(jià)值的效益，但還必須大幅降低耗電量，以滿足設(shè)備設(shè)計(jì)人員與終端使用者的期許。

簡介：提升感測效率為進(jìn)步的關(guān)鍵

提升感測效率是改善使用者體驗(yàn)的關(guān)鍵，方得以滿足智能型手機(jī)、相機(jī)和游戲控制器等消費(fèi)性裝置的需求，同時(shí)讓物聯(lián)網(wǎng)（IoT）發(fā)揮完整潛力。對(duì)消費(fèi)性應(yīng)用來說，擁有多重功能的智能按鈕更是支持復(fù)雜互動(dòng)與手勢型控制不可或缺的組件。另外就IoT方面，控制器則要能感測出細(xì)微的移動(dòng)或位置差異，才能準(zhǔn)確推估資產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)。以智能大樓內(nèi)的保全系統(tǒng)為例，基本傳感器能偵測窗戶是否關(guān)上，而更具智能的傳感器則能讓系統(tǒng)得知窗戶是否上鎖。

線性霍爾效應(yīng)傳感器提供比機(jī)械開關(guān)等替代方案更為細(xì)膩的感測方式，機(jī)械開關(guān)為目前常見于游戲桿或游戲控制器等計(jì)算機(jī)配件內(nèi)的技術(shù)。線性霍爾效應(yīng)傳感器提供非接觸式位置感測解決方案，高度可靠，方便加入設(shè)計(jì)。相較于光學(xué)傳感器等其他非接觸式感測裝置，線性霍爾效應(yīng)裝置更不容易發(fā)生光學(xué)窗口因灰塵或其他污染物而模糊所造成的錯(cuò)誤。線性霍爾效應(yīng)傳感器已廣泛用于多種工業(yè)應(yīng)用上，像是用來感測旋轉(zhuǎn)閥的位置等。

霍爾效應(yīng)與線性傳感器

霍爾效應(yīng)系指當(dāng)傳導(dǎo)材料放置在一個(gè)磁場內(nèi)，且有電流通過時(shí)，導(dǎo)體產(chǎn)生可測量電壓的現(xiàn)象。此電壓與通過的電流及垂直導(dǎo)體的磁通量成正比，如圖1所示?；魻栃?yīng)傳感器IC整合高增益放大和其他訊號(hào)調(diào)節(jié)電路，例如偏移消除，以與其他邏輯或模擬電路的電壓兼容，產(chǎn)生能夠表示所偵測之磁通量的輸出。

圖1．使用霍爾效應(yīng)傳感器IC感測磁通量

目前有許多霍爾效應(yīng)裝置：具備數(shù)字輸出的傳感器可用作近位感應(yīng)開關(guān)，用于像是筆記本電腦的開／關(guān)偵測（在上蓋嵌入一塊小磁鐵）等應(yīng)用。另一方面，線性霍爾效應(yīng)傳感器能夠產(chǎn)生模擬輸出，且輸出與磁鐵和傳感器之間的距離成正比。這類傳感器可用于滑過機(jī)構(gòu)，用來偵測磁鐵經(jīng)過傳感器旁的位置。例如，當(dāng)磁鐵條經(jīng)過傳感器時(shí)，輸出電壓將隨通量密度的變化而變動(dòng)，通量密度于磁鐵在遠(yuǎn)處時(shí)為零，磁鐵接近N極時(shí)為最大負(fù)通量，磁鐵位在傳感器中央時(shí)為零，接近S極時(shí)為最大正通量。磁鐵持續(xù)移動(dòng)經(jīng)過，傳感器的輸出接近零。

線性裝置的其它主要操作模式為迎頭感測，磁鐵往傳感器表面接近或遠(yuǎn)離。在此情況下，磁通量及輸出電壓從零開始，于磁鐵最接近傳感器時(shí)變?yōu)樽畲?。圖2顯示線性霍爾效應(yīng)傳感器IC的輸出電壓如何在磁鐵接近IC表面時(shí)隨磁場強(qiáng)度變化。

圖2．線性霍爾效應(yīng)裝置的傳輸曲線

節(jié)電應(yīng)用

霍爾效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)，但商用霍爾效應(yīng)傳感器IC一直到最近才推出，這些裝置同時(shí)還整合了低噪聲放大器和產(chǎn)生可用輸出電壓的訊號(hào)處理電路。霍爾效應(yīng)傳感器（包括線性裝置）直到最近才廣泛應(yīng)用于工業(yè)的近位與位置感測作業(yè)，像是液位感測和閥位置控制等。

使用于消費(fèi)性便攜設(shè)備上時(shí)，線性霍爾效應(yīng)傳感器則有機(jī)會(huì)加入額外的功能，像是使用傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)難以執(zhí)行的功能，因?yàn)閭鞲衅鞒四軅蓽y按鈕何時(shí)按下，也能準(zhǔn)確判斷按鈕的位置。如此一來，裝置便能整合多功能按鈕，像是照相手機(jī)或數(shù)字單反相機(jī)的按鈕，半按可自動(dòng)對(duì)焦，全按則釋放快門。同樣地，線性霍爾效應(yīng)傳感器也能讓游戲控制器的按鈕控制額外的功能或感測更多復(fù)雜的玩家手勢。

另一方面，這些新興應(yīng)用也對(duì)線性霍爾效應(yīng)傳感器提出更嚴(yán)苛的要求。其中以超低耗電量最為重要，除了確保高階功能的運(yùn)作，還要避免縮短電池使用壽命。舉例來說，IoT裝置通常需要自動(dòng)運(yùn)作長達(dá)5年、10年或甚至20年，且只靠一顆小電池或能源采集系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的耗電量盡管只有數(shù)毫安，卻足以使設(shè)計(jì)人員無法達(dá)到運(yùn)作期間終生免維護(hù)的要求。就消費(fèi)性電子產(chǎn)品來說，電池使用壽命有任何明顯減損，都可能危害到市場銷售量。

全微功率傳感器

針對(duì)線性霍爾效應(yīng)傳感器可用來偵測按鈕位置的許多情況下，傳感器IC只需要在要取得位置信息時(shí)短暫地完整運(yùn)作。將電源管理整合到IC，有助于在不需執(zhí)行感測功能時(shí)避免不必要的能源消耗。

像是DiodesAH8500和AH8501等部分傳感器具備Enable腳位，可讓主機(jī)控制操作模式。根據(jù)預(yù)設(shè)，內(nèi)部下拉電阻會(huì)讓傳感器保持在休眠模式下，此時(shí)典型消耗電流僅8．9?A。在Enable腳位驅(qū)動(dòng)高電位，裝置便進(jìn)入啟用模式，以默認(rèn)的取樣頻率6．25kHz運(yùn)作，此時(shí)典型消耗電流為1．16mA?；蛘?，可用PWM訊號(hào)設(shè)定高達(dá)7．14kHz的自定義取樣率。

加入Enable腳位后，這些裝置極適合用于各種利用訊號(hào)來啟動(dòng)傳感器的IoT應(yīng)用，像是智能大樓保全或門禁系統(tǒng)。另一方面，相機(jī)、手機(jī)和游戲終端機(jī)等消費(fèi)性裝置則無法預(yù)期用戶何時(shí)會(huì)按下按鈕，因此無法驅(qū)動(dòng)Enable腳位的高電位。這些情況下，使用者需要的是立即的響應(yīng)。使用于這類應(yīng)用時(shí)，AH8502和AH8503默認(rèn)以微功率模式運(yùn)作，默認(rèn)取樣率24Hz下的典型耗電量僅13?A。偵測到活動(dòng)時(shí)，傳感器便以Turbo模式運(yùn)作，還能視需要提高取樣率。裝置具備Control腳位，系統(tǒng)可透過此腳位將取樣率調(diào)整至最高7．14kHz，此時(shí)耗電量最高為1．16mA。

這些裝置擁有更強(qiáng)化的電源管理，像是在閑置時(shí)關(guān)閉模擬電路和ADC，并在周期之間套用申請(qǐng)專利中的省電技巧，因此無論在正常、休眠及微功率模式下，其消耗電流均比替代的低功耗線性霍爾效應(yīng)傳感器要低許多。

這些裝置整合訊號(hào)調(diào)節(jié)電路，包括8位的ADC與DAC，如圖3所示，可產(chǎn)生8位分辨率的模擬輸出，適用于各種IoT與消費(fèi)性應(yīng)用。

圖3．整合訊號(hào)調(diào)節(jié)提供8位模擬分辨率

針對(duì)需要高準(zhǔn)確度的應(yīng)用，AH8501（具Enable腳位）與AH8503還有可調(diào)整輸出的選項(xiàng)，確保準(zhǔn)確度靈敏度保持在±3％內(nèi)。加上裝置擁有非常低的溫度系數(shù)±3％，確保靈敏度變異最大不超過±6％。這些裝置的靈敏度準(zhǔn)確度比價(jià)格相當(dāng)?shù)奶娲桨竷?yōu)異許多，與目前市面上價(jià)格高出許多的線性霍爾效應(yīng)傳感器相比也更為有利。不可調(diào)整的AH8500（具備Enable腳位）與AH8502的靈敏度準(zhǔn)確度在±15％內(nèi)，但可彈性在生產(chǎn)在線執(zhí)行校正。

線性霍爾效應(yīng)傳感器大多會(huì)將ESD防護(hù)整合于I／O，但提供的防護(hù)層級(jí)通常最高只有1kV或2kV。AH850x擁有強(qiáng)化的防護(hù)等級(jí)，可耐受最高6kV，對(duì)廠房內(nèi)生產(chǎn)期間或終端使用者使用時(shí)遇到危害的抗擾性更為優(yōu)異。

擁有強(qiáng)化的ESD防護(hù)，便可省下外部防護(hù)組件，有助于降低物料列表成本，并減少電路板占用空間。這些裝置提升防護(hù)等級(jí)后，也能用在咖啡機(jī)等家電，以及工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)性行動(dòng)裝置上。

結(jié)論

自第一塊商用IC問世后，霍爾效應(yīng)傳感器迅速成為市場寵兒，尤其是在需要高可靠度、非接觸式位置或近位偵測的工業(yè)應(yīng)用。

IoT的興起，加上消費(fèi)性電子裝置市場對(duì)改善用戶體驗(yàn)的需求不斷增加，這兩股趨勢為霍爾效應(yīng)傳感器帶來額外的成長商機(jī)，特別是能夠支持復(fù)雜功能（例如多功能按鈕）的線性傳感器。相對(duì)較高的耗電量，甚至是某些微功率傳感器，使這些裝置的使用范圍受到局限，但現(xiàn)在最新一代的全微功率線性霍爾效應(yīng)傳感器推出后，要在可接受的低耗電量下執(zhí)行復(fù)雜的位置感測則成為可能。結(jié)合高準(zhǔn)確度、強(qiáng)化整合式ESD防護(hù)及操作彈性后，這些先進(jìn)裝置的使用范圍得以大幅延伸。