線性霍爾效應傳感器能為消費者技術與物聯網應用帶來高價值的效益，但還必須大幅降低耗電量，以滿足設備設計人員與終端使用者的期許。
簡介：提升感測效率為進步的關鍵
提升感測效率是改善使用者體驗的關鍵，方得以滿足智能型手機、相機和游戲控制器等消費性裝置的需求，同時讓物聯網 （IoT） 發揮完整潛力。對消費性應用來說，擁有多重功能的智能按鈕更是支持復雜互動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微的移動或位置差異，才能準確推估資產設備的狀態。以智能大樓內的保全系統為例，基本傳感器能偵測窗戶是否關上，而更具智能的傳感器則能讓系統得知窗戶是否上鎖。
線性霍爾效應傳感器提供比機械開關等替代方案更為細膩的感測方式，機械開關為目前常見于游戲桿或游戲控制器等計算機配件內的技術。線性霍爾效應傳感器提供非接觸式位置感測解決方案，高度可靠，方便加入設計。相較于光學傳感器等其他非接觸式感測裝置，線性霍爾效應裝置更不容易發生光學窗口因灰塵或其他污染物而模糊所造成的錯誤。線性霍爾效應傳感器已廣泛用于多種工業應用上，像是用來感測旋轉閥的位置等。
霍爾效應與線性傳感器
霍爾效應系指當傳導材料放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體產生可測量電壓的現象。此電壓與通過的電流及垂直導體的磁通量成正比，如圖 1 所示。霍爾效應傳感器 IC 整合高增益放大和其他訊號調節電路，例如偏移消除，以與其他邏輯或模擬電路的電壓兼容，產生能夠表示所偵測之磁通量的輸出。
圖 1． 使用霍爾效應傳感器 IC 感測磁通量
目前有許多霍爾效應裝置：具備數字輸出的傳感器可用作近位感應開關，用于像是筆記本電腦的開／關偵測（在上蓋嵌入一塊小磁鐵） 等應用。另一方面，線性霍爾效應傳感器能夠產生模擬輸出，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構，用來偵測磁鐵經過傳感器旁的位置。例如，當磁鐵條經過傳感器時，輸出電壓將隨通量密度的變化而變動，通量密度于磁鐵在遠處時為零，磁鐵接近 N 極時為最大負通量，磁鐵位在傳感器中央時為零，接近 S 極時為最大正通量。磁鐵持續移動經過，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變為最大。圖 2 顯示線性霍爾效應傳感器 IC 的輸出電壓如何在磁鐵接近 IC 表面時隨磁場強度變化。
圖 2． 線性霍爾效應裝置的傳輸曲線
節電應用
霍爾效應最早發現于 19 世紀，但商用霍爾效應傳感器 IC 一直到最近才推出，這些裝置同時還整合了低噪聲放大器和產生可用輸出電壓的訊號處理電路。霍爾效應傳感器（包括線性裝置） 直到最近才廣泛應用于工業的近位與位置感測作業，像是液位感測和閥位置控制等。
使用于消費性便攜設備上時，線性霍爾效應傳感器則有機會加入額外的功能，像是使用傳統機械開關難以執行的功能，因為傳感器除了能偵測按鈕何時按下，也能準確判斷按鈕的位置。如此一來，裝置便能整合多功能按鈕，像是照相手機或數字單反相機的按鈕，半按可自動對焦，全按則釋放快門。同樣地，線性霍爾效應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雜的玩家手勢。
另一方面，這些新興應用也對線性霍爾效應傳感器提出更嚴苛的要求。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 裝置通常需要自動運作長達 5 年、10 年或甚至 20 年，且只靠一顆小電池或能源采集系統供電。傳統霍爾效應傳感器的耗電量盡管只有數毫安，卻足以使設計人員無法達到運作期間終生免維護的要求。就消費性電子產品來說，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
針對線性霍爾效應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短暫地完整運作。將電源管理整合到 IC，有助于在不需執行感測功能時避免不必要的能源消耗。
像是 Diodes AH8500 和 AH8501 等部分傳感器具備 Enable 腳位，可讓主機控制操作模式。根據預設，內部下拉電阻會讓傳感器保持在休眠模式下，此時典型消耗電流僅 8．9?A。在 Enable 腳位驅動高電位，裝置便進入啟用模式，以默認的取樣頻率 6．25kHz 運作，此時典型消耗電流為 1．16mA。或者，可用 PWM 訊號設定高達 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來啟動傳感器的 IoT 應用，像是智能大樓保全或門禁系統。另一方面，相機、手機和游戲終端機等消費性裝置則無法預期用戶何時會按下按鈕，因此無法驅動 Enable 腳位的高電位。這些情況下，使用者需要的是立即的響應。使用于這類應用時，AH8502 和 AH8503 默認以微功率模式運作，默認取樣率 24Hz 下的典型耗電量僅 13?A。偵測到活動時，傳感器便以 Turbo 模式運作，還能視需要提高取樣率。裝置具備 Control 腳位，系統可透過此腳位將取樣率調整至最高 7．14kHz，此時耗電量最高為 1．16mA。
這些裝置擁有更強化的電源管理，像是在閑置時關閉模擬電路和 ADC，并在周期之間套用申請專利中的省電技巧，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傳感器要低許多。
這些裝置整合訊號調節電路，包括 8 位的 ADC 與 DAC，如圖 3 所示，可產生 8 位分辨率的模擬輸出，適用于各種 IoT 與消費性應用。
圖 3． 整合訊號調節提供 8 位模擬分辨率
針對需要高準確度的應用，AH8501 （具 Enable 腳位） 與 AH8503 還有可調整輸出的選項，確保準確度靈敏度保持在 ±3％ 內。加上裝置擁有非常低的溫度系數 ±3％，確保靈敏度變異最大不超過 ±6％。這些裝置的靈敏度準確度比價格相當的替代方案優異許多，與目前市面上價格高出許多的線性霍爾效應傳感器相比也更為有利。不可調整的 AH8500 （具備 Enable 腳位） 與 AH8502 的靈敏度準確度在 ±15％ 內，但可彈性在生產在線執行校正。
線性霍爾效應傳感器大多會將 ESD 防護整合于 I／O，但提供的防護層級通常最高只有 1kV 或 2kV。AH850x 擁有強化的防護等級，可耐受最高 6kV，對廠房內生產期間或終端使用者使用時遇到危害的抗擾性更為優異。
擁有強化的 ESD 防護，便可省下外部防護組件，有助于降低物料列表成本，并減少電路板占用空間。這些裝置提升防護等級后，也能用在咖啡機等家電，以及工業應用和消費性行動裝置上。
結論
自第一塊商用 IC 問世后，霍爾效應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應用。
IoT 的興起，加上消費性電子裝置市場對改善用戶體驗的需求不斷增加，這兩股趨勢為霍爾效應傳感器帶來額外的成長商機，特別是能夠支持復雜功能 （例如多功能按鈕）的線性傳感器。相對較高的耗電量，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，但現在最新一代的全微功率線性霍爾效應傳感器推出后，要在可接受的低耗電量下執行復雜的位置感測則成為可能。結合高準確度、強化整合式 ESD 防護及操作彈性后，這些先進裝置的使用范圍得以大幅延伸。 |
