關於霍爾效應感測器的另外 6 個迷思

作者 : 德州儀器 Manny Soltero

霍爾效應感測器迷思技術文章中，介紹了對霍爾效應開關和閂鎖的誤解，包括設計人員可以從使用霍爾效應感測器而不是其它積體電路中獲益的常見應用。本文提及的六個迷思更深入介紹霍爾效應感測器的高準確度角度測量能力，以及在工廠自動化機器人系統中的應用。

迷思 1：只有 TMR 感測器可以進行平面內測量

設計人員通常會考量隧道磁阻 (TMR) 感測器，因為這些感測器具有高磁性靈敏度、高線性度和低功耗。此外，TMR 感測器可以感應封裝的水平 (或平面內) 磁場。目前可用的大多數霍爾效應感測器能夠感測垂直磁場，不過也有少數例如 TMAG5123 的感測器具備平面感應能力。圖 1 顯示平面內感測器靈敏度的方向性。請參閱應用簡報「感測平面內與平面外的磁場」。

圖 1：平面內靈敏度

迷思 2：霍爾效應開關不是舌簧開關的有效替代品

舌簧開關在許多應用中仍然相當常見。常見的舌簧開關應用包括門窗感測器。安全警報系統的舌簧開關本身的主要缺點是無法偵測竄改事件。藉由使用線性 3D 霍爾效應感測器，設計人員可以分配任何未用於主動測量的通道來偵測此類事件。

另一個實例是在冰箱門中控制開啟或關閉內部燈光的確切位置。有鑑於嚴格的閾值磁滯規格，霍爾效應開關提供一致的開關距離偵測。

舌簧開關的另一個主要缺點是無法使用標準的印刷電路板 (PCB) 組裝程序。這些開關必須手工焊接到電路板上，因此組裝過程相當複雜，而且成本會增加。表 1 比較這兩種技術。

表 1：霍爾效應開關和舌簧開關的比較

迷思 3：霍爾效應感測器與霍爾元件相同

霍爾元件與霍爾效應感測器本質上並不一樣。需要偏置電路和差分放大器的霍爾元件是產生可用電壓所需的最基本結構。相較於霍爾效應感測器，霍爾元件並未將所有支援電路都整合到單一封裝中。

圖 2 顯示這兩種感測器的電路實作。霍爾元件通常用於準確度不重要、成本極為重要而且附近有差分放大器盡可能減少外部雜訊耦合的應用。此外，霍爾元件具有隨溫度變化的固有非線性變化，而霍爾效應感測器具備內置補償功能，可確保在 –40°C 至 125°C 的寬溫度範圍內進行穩定測量。如需霍爾效應感測器的詳細資訊，請參閱文章「什麼是霍爾效應感測器？」

圖 2：霍爾元件 (a) 與霍爾效應感測器 (b) 的電路實作

迷思 4：使用霍爾效應感測器很容易竄改系統

使用舌簧開關和基本霍爾效應開關可以竄改系統是個事實。大的外部磁場可以欺騙系統，造成一切正常運作的假象。解決此類問題的好方法是使用線性 3D 霍爾效應感測器。一個軸可監控預期磁鐵是否存在，而其它兩個通道可偵測外部磁場。使用每個通道具有可配置磁性閾值的線性 3D 感測器可以更彈性設定適當的「竄改偵測」閾值。圖 3 中的範例顯示 MCU 在超過閾值時接收到中斷訊號。

圖 3：使用線性 3D 霍爾效應感測器進行竄改偵測

迷思 5：霍爾效應感測器不適用於測量角度

霍爾效應感測器在許多位移應用中很常見，不過這些感測器也用於絕對角度測量。藉由將兩個單軸線性霍爾效應感測器策略性地放置在旋轉偶極磁體周圍，每個感測器都可以拾取與另一個感測器異相的磁場向量。藉由這些資訊，使用反正切函數就可以很容易計算出旋轉磁鐵的準確角度。

圖 4a 顯示在兩種不同封裝類型中使用線性感測器的兩種實作方式。另一種能夠更妥善進行角度測量的方法是使用單一線性 3D 霍爾效應感測器 (見圖 4b 的各種配置)。若要瞭解角度測量，請參閱「使用霍爾效應感測器進行旋轉運動的絕對角度測量」和「使用多軸線性霍爾效應感測器進行角度測量」。

圖 4：使用兩個單軸線性霍爾效應感測器 (a) 和線性 3D 霍爾效應感測器 (b) 進行絕對角度測量

迷思 6：線性霍爾效應感測器不準確

線性霍爾效應感測器是符合成本效益的解決方案，能夠提供可靠的磁性資訊。此類感測器的使用者都知道這個事實，不過通常會考慮使用其它技術滿足本身的高準確度要求。例如，工業機器人手臂必須相對於目標對象精確定位，並且使用 TMAG5170 等高準確度線性 3D 霍爾效應感測器達到這些應用所需的準確度 (圖 5)。此外，TMAG5170 由於在整個溫度範圍內的高精度和靈敏度漂移而可能不需要系統級校準。

圖 5：機械臂應用中的線性 3D 感測器

期盼您喜歡這類破除霍爾效應感測器常見迷思的文章。由於高準確度以及不斷增加的整合功能和診斷功能，這些感測器在汽車和工業應用中持續獲得採用。