提升感測效率是改善使用者體驗的關鍵，方得以滿足智慧型手機、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，擁有多重功能的智慧按鈕更是支援複雜互動與手勢型控制不可或缺的元件。
另外，就物聯網方面來說，控制器則要能感測出細微的移動或位置差異，才能準確地推估資產設備的狀態。以智慧大樓內的保全系統為例，基本感測器能偵測窗戶是否關上，而更具智慧的感測器則可以讓系統得知窗戶是否上鎖。
線性霍爾效應(Hall Effect)感測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搖桿或遊戲控制器等電腦配件內的技術。線性霍爾效應感測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。
相較於光學感測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視窗因灰塵或其他汙染物而模糊所造成的錯誤。線性霍爾效應感測器已廣泛用於多種工業應用上，例如用來感測旋轉閥的位置等。
善用霍爾效應特性 感測器功能整合升級
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(圖1)。霍爾效應感測器積體電路(IC)整合高增益放大和其他訊號調節電路，例如偏移消除，以與其他邏輯或類比電路的電壓相容，產生能夠表示所偵測之磁通量的輸出。
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| 圖1 使用霍爾效應感測器IC感測磁通量 |
目前已有許多霍爾效應裝置，例如具備數位輸出的感測器可當作近位感應開關，用於筆記型電腦的開/關偵測(在上蓋嵌入一塊小磁鐵)等應用。另一方面，線性霍爾效應感測器能夠產生類比輸出，且輸出與磁鐵和感測器之間的距離成正比。這類感測器可用於滑過機構，用來偵測磁鐵經過感測器旁的位置。
例如，當磁鐵條經過感測器時，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，磁鐵位在感測器中央時為零，接近S極時為最大正通量。磁鐵持續移動經過，感測器的輸出接近零。
線性裝置的其他主要操作模式為迎頭感測，磁鐵往感測器表面接近或遠離。在此情況下，磁通量及輸出電壓從零開始，於磁鐵最接近感測器時變為最大。圖2顯示線性霍爾效應感測器IC的輸出電壓如何在磁鐵接近IC表面時隨磁場強度變化。
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| 圖2 線性霍爾效應裝置的傳輸曲線 |
確保高階功能運作 維持超低耗電要求
霍爾效應最早發現於十九世紀，但商用霍爾效應感測器IC一直到最近才推出，這些裝置同時還整合了低雜訊放大器以及產生可用輸出電壓的訊號處理電路。霍爾效應感測器(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，例如液位感測和閥位置控制等。
使用於消費性可攜式裝置上時，線性霍爾效應感測器則有機會加入額外的功能，例如提供傳統機械開關難以執行的功能，因為感測器除了能偵測按鈕何時按下之外，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，例如照相手機或數位單眼相機的按鈕，半按可自動對焦，全按則釋放快門。同樣地，線性霍爾效應感測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感測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外，還要避免縮短電池使用壽命。
舉例來說，物聯網裝置通常須要自動運作長達5年、10年或甚至20年，且只靠一顆小電池或能源採集(Energy Harvesting)系統供電。傳統霍爾效應感測器的耗電量儘管只有數毫安培(mA)，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。
全微功率訴求掛帥 感測器全系列積極搶市
針對線性霍爾效應感測器可用來偵測按鈕位置的許多情況下，感測器IC只須要在要取得位置資訊時短暫地全力運作。將電源管理整合到IC，有助於在無須執行感測功能時避免不必要的能源消耗。
例如Diodes AH8500和AH8501等部分感測器具備Enable腳位，可讓主機控制操作模式。根據預設，內部下拉電阻會讓感測器保持在休眠模式下，此時典型消耗電流僅8.9微安培(μA)。在Enable腳位驅動高電位，裝置便進入啟用模式，以預設的取樣頻率6.25kHz運作，此時典型消耗電流為1.16毫安培。或者，可用脈衝寬度調變(PWM)訊號設定高達7.14kHz的自訂取樣率。
加入Enable腳位後，這些裝置極適合用於各種利用訊號來啟動感測器的物聯網應用，像是智慧大樓保全或門禁系統。另一方面，相機、手機和遊戲終端機等消費性裝置則無法預期使用者何時會按下按鈕，因此無法驅動Enable腳位的高電位。在這些情況下，使用者需要的是立即的回應。使用於這類應用時，AH8502和AH8503預設以微功率模式運作，預設取樣率24Hz下的典型耗電量僅13微安培。偵測到活動時，感測器便以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1.16毫安培。
這些裝置擁有更強化的電源管理，像是在閒置時關閉類比電路和類比數位轉換器(ADC)，並在週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感測器要低許多。
這些裝置整合訊號調節電路，包括8位元的ADC與數位類比轉換器(DAC)，如圖3所示，可產生8位元解析度的類比輸出，適用於各種物聯網與消費性應用。
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| 圖3 整合訊號調節提供8位元類比解析度 |
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係數±3%，確保靈敏度變異最大不超過±6%，靈敏度準確度比價格相當的替代方案優異許多。不可調整的AH8500(具備Enable腳位)與AH8502的靈敏度準確度在±15%內，但可彈性地在生產線上執行校正。
線性霍爾效應感測器大多會將靜電放電(ESD)防護整合於輸入輸出(I/O)，但提供的防護層級通常最高只有1仟伏特(kV)或2仟伏特。AH850x擁有強化的防護等級，可耐受最高6仟伏特，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，便可省下外部防護元件，有助於降低物料清單(BOM)成本，並減少電路板占用空間。
高準確ESD防護兼備 霍爾效應感測器看俏
自第一塊商用IC問世後，霍爾效應感測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。而物聯網的興起，加上消費性電子裝置市場對改善使用者體驗的需求不斷增加，這兩股趨勢為霍爾效應感測器帶來額外的成長商機，特別是能夠支援複雜功能(例如多功能按鈕)的線性感測器。相對較高的耗電量，甚至是某些微功率感測器，使這些裝置的使用範圍受到局限，但現在最新一代的全微功率線性霍爾效應感測器推出後，要在可接受的低耗電量下執行複雜的位置感測則成為可能。
(本文作者為Diodes感測及電源管理事業部主管)