傳統的線性霍爾感測器、霍爾開關及角度感測器，只能識別與晶片表面垂直的磁場分量，巨磁阻(GMR)角度感測器只能測量平面方向的場分量。現已有廠商開發出新產品，例如英飛凌(Infineon)的TLV493D-A1B6感測器，能夠同時判定磁場的X、Y和Z座標(圖1)。藉由識別所有三個軸的磁場分量，感測器可獲得所在磁場的完整三維(3D)影像，磁鐵的每個動作，都會影響至少一個磁場分量。
為了實現三維感測器功能，該產品將垂直及水平霍爾感測器整合至感測器晶片。垂直感測器可偵測平面方向的X及Y場分量，而水平感測器則判定垂直方向的場分量(Z方向)。
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| 圖1 3D磁感測器TLV493D-A1B6可測量X、Y和Z等三道空間方向 |
磁感測器高度整合 力求低耗電高效感測
TLV493D-A1B6的開發目標就是降低耗電量，憑藉節能振盪器等各項創新設計技術，感測器的運作僅須耗用數奈安培(nA)的電量，關機模式則只要7奈安培。3D磁感測器雖然耗電量低，卻依然精準無比。此外，矽元件置入極小的TSOP-06封裝，尺寸僅2.9毫米(mm)×1.6毫米，使這款感測器比市面上任何3D磁感測器都更為精巧。
此外，該產品具有小封裝和低耗電等特色，適合於以往無法使用磁感測器的各項應用。磁切換點具備非接觸式定位功能和高溫穩定度，適合取代電位計與光學解決方案，能夠實現更精巧、精準及強固的系統概念。
感測器配備數位輸出功能，使用雙線I2C標準介面，不僅能夠實現高速通訊，還可透過匯流排模式在感測器及微處理器之間進行雙向通訊。
感測器架構由電源模式控制單元、感測器單元及通訊單元等三大功能單元組成(圖2)。電源模式控制單元負責IC配電和感測器的啟動控制。感測器單元則包含垂直、水平霍爾感測器以及溫度感測器，可測量X、Y和Z方向的磁場。每具霍爾感測器都透過多工器依序連接類比數位轉換器(ADC)。溫度感測器也連接至多工器，不過可以停用來降低約25%的總耗電量。
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| 圖2 TLV493D-A1B6主要功能單元的方塊圖，包括電源模式控制系統、感測元件及I2C介面。 |
存取通訊單元：測量最小動作
在每項電源模式中，微處理器皆可透過I2C介面存取通訊單元，也能夠存取暫存器資料以讀出暫存器值。三軸的數值與溫度分別記錄於獨立暫存器。不但介面符合I2C快速模式規格(400kbit/s)，特殊電氣組件更支援至少1Mbit/s的資料速率。感測器可與其他裝置共同運作於I2C匯流排；微處理器則作為匯流排主機，負責控制所有從機。TLV493D-A1B6的標準匯流排位址是由製造商設定，可於開啟時透過位址PIN予以變更。新位址將於運作期間維持有效，只會在電源中斷時重置為原廠設定。
在3D磁場偵測期間，TLV493D-A1B6會為每個測量方向提供12位元資料解析度，從而達到每位元0.098毫特斯拉(mT)的高資料解析度(LSB，最低有效位元)。如此一來，感測器就可測量最小動作，也能進行Bx、By及Bz的線性磁場測量，可用於大型線性場範圍(+/-130mT)，且能測量更長的磁動作，而較大的測量範圍也允許簡易、強固和彈性的電磁開關設計。使用垂直霍爾感測器測量兩個方向(X和Y)的平面磁場分量，讓感測器獲得極高的磁精準度(+/-5%)，因而能夠確實測量角度。
在每次測量週期後，感測器會向連接的微處理器傳送強大的中斷訊號，再由感測器暫存器讀出磁值和溫度。
提供彈性電源模式 低耗能高運作時間
中斷訊號也能啟動處於休眠模式的微處理器，因此，微控制器(MCU)可維持低功率模式直到讀出相位出現，進而降低整體耗電量。TLV493D-A1B6配備關機、快速功率、低功率、超低功率及主控模式等五項可供使用者選擇的電源模式(表1)。運作期間，可透過I2C介面設定不同模式。
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| 表1 電源模式及其相應的耗電量及取樣率 |
開啟時，感測器會以原廠預設組態啟動，所有功能區塊將維持短暫作用。隨後感測器將變為關機模式，並關閉所有功能區塊。在此模式下，感測器不會執行任何磁測量，且耗電量降低至7奈安培。若使用兩個2,400mAh的標準AA電池供電，理論上可運作長達39,000年。
僅於必要時測量 降低電量無謂耗損
在低功率模式下，感測器每10毫秒(ms)會由關機模式喚醒以執行磁測量。感測器為此需要100微安培(μA)的電流。定期磁測量適用於控制元件等應用(例如多功能按鈕)。
耗電量在超低功率模式下可減至十分之一，喚醒循環則延長為100毫秒，耗電量降低為10微安培。電池驅動系統(如電表篡改防護設計)這類亟須降低耗電的應用，皆可受益於此模式。
在快速模式下，感測器將達到最佳讀出速度，以利啟動下次轉換時，可同時透過I2C介面傳送先前的測量結果。此模式特別適合搖桿等必須識別極高速磁動作的應用。在此情況下，感測器於最高取樣率3.3kHz的最大耗電量為3.7毫安培。
在主控運作模式中，感測器會等待各項測量作業，直到微處理器(主機)讀出暫存器為止，然後再展開新的測量週期。多個TLV493D-A1B6感測器透過I2C匯流排連接且用於偵測較大線性移動時，特別適合使用此模式。在此情況下，微處理器會判定目前適用的感測器資料，並觸發相應的感測器。圖3比較了各種電源模式的耗電量及溫度。
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| 圖3 比較四個電源模式的耗電量及溫度 |
具高解析度/高速通訊 可搭配搖桿應用
TLV493D-A1B6提供精準的12位元解析度和高速通訊效能，是搖桿應用的理想選擇(圖4)。傳統搖桿配備機械式電位計，分別用於X、Y和Z的動作方向。這種方式需要大量空間，而且搖桿零點會偏離動作中心，導致效能在產品壽命期間大幅衰退，因此必須針對錯誤進行複雜的機械校正，才能避免汰換整座搖桿。
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| 圖4 3D磁感測器TLV493D-A1B6能夠極為確實、迅速地識別搖桿動作。 |
取代三具機械電位計 實現精巧搖桿系統
採用磁3D感測器技術的TLV493D-A1B6感測器能夠一次取代三具機械電位計，有效節省空間，實現精巧的搖桿系統。此外，非接觸式磁場識別、高溫穩定性以及幾乎不會老化等特色，有利於針對工業應用開發新型強固搖桿。這款全新3D感測器可實現經濟且節能的控制元件，包括便於使用的電氣裝置或家電旋鈕/按鈕，以精準的角度測量及小型系統架構，為使用者帶來極致舒適感受。
為了加速使用新型感測器來開發應用，英飛凌還打造了經濟實惠的評估系統3D Magnetic Sensor 2Go。此系統結合TLV493D-A1B6感測器及32位元XMC1100微處理器，只要搭配使用硬體、隨附磁鐵和感測器軟體，系統幾分鐘內就能準備好進行首測。此外，也供應Joystick for 3D Magnetic 2Go Kit搖桿附件，以利加快搖桿測量作業。XMC1100微處理器的使用者可以存取Dave免費開發平台，進一步簡化設計。
符合JESD47工業標準 也適合汽車應用
本款全新感測器技術已經開始量產，這套元件是專為工業及消費性產品開發而成，可運作於2.7伏特至3.5伏特的電壓和-40℃至+125℃的溫度範圍，並且符合JESD47工業標準。此外，該公司將為汽車產業客戶提供完整的AEC-Q100資格認證。
(本文作者為英飛凌3D磁感測器行銷經理)