全微功率霍爾效應傳感器將開關變成智能裝置

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、相機和遊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複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於遊戲杆或遊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。相較於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汙染物而模糊所造成的錯誤。線性霍爾效應傳感器已廣泛用於多種工業應用上，像是用來感測旋轉閥的位置等。

霍爾效應與線性傳感器

霍爾效應係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，用於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。這類傳感器可用於滑過機構，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，通量密度於磁鐵在遠處時為零，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，於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

霍爾效應最早發現於 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於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。

使用於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眼相機的按鈕，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遊戲控制器的按鈕控制額外的功能或感測更多複雜的玩家手勢。

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採集系統供電。傳統霍爾效應傳感器的耗電量儘管只有數毫安，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。