全面認知·高靈敏度霍爾元件

在《全面認知·霍爾元件》中, 我們介紹了三種霍爾元件：超高靈敏度霍爾元件, 高靈敏度霍爾元件和低漂移霍爾元件。

此章節中將介紹高靈敏度霍爾元件（砷化銦 (InAs) ）的應用實例。

高靈敏度霍爾元件（砷化銦 (InAs) ）

特征

在3種霍爾元件中，InAs較低漂移霍爾元件GaAs輸出電壓更大，較超高靈敏度霍爾元件InSb的溫度特性更為穩定 (參考 《全面認知·霍爾元件》) 。使用定電壓方式驅動能使溫度特性更為穩定。

圖1. 砷化銦 (InAs) 霍爾元件的溫度特性 (B=50mT)

代表應用案例

編碼器

編碼器是指通過檢測出進行旋轉運動或直線運動的物體的位置變化量、將位置信息以電信號的形式輸出的裝置。

旋轉 (檢測旋轉) 編碼器稱為旋轉編碼器, 而線性 (檢測線性位移) 編碼器稱為線性編碼器。

編碼器常用于工業機器人關節，工廠生產用器械等需要精密的動作/位置控制的設備。

磁性編碼器通過霍爾元件檢測出安裝在檢測對象上的磁鐵的運動狀況。

下圖展示了磁性旋轉編碼器 (檢測旋轉角度的編碼器) 的檢測原理

圖2a. 使用了霍爾元件的旋轉編碼器的結構圖

圖2b. 使用了霍爾元件的旋轉編碼器的輸出電壓波形

磁性編碼器主要由圓形 (圓柱形或圓環形) 徑向磁鐵和兩個霍爾元件構成。

如圖2a所示，在360度旋轉的磁鐵下方，相隔90度的位置上設置了兩個霍爾元件。

磁鐵旋轉時，霍爾元件會產生如圖2b所示的sin波和cos波的輸出電壓。

磁鐵的旋轉角度θ可利用tanθ＝sinθ/cosθ的算式，通過兩個霍爾元件的輸出電壓來計算出反正切值 (此計算包含除法計算，還可消除磁鐵和傳感器的溫度特性的影響) 。

盡管光學式編碼器是典型的檢測旋轉角度用旋轉編碼器，然而磁性編碼器相對光學式而言，更不受油污等附著物的影響，具有較高的耐環境性。

數碼相機的自動對焦系統

相機的自動對焦系統有多種方式，這次我們將介紹圖3所示的主動型AF系統。

主動型AF系統是通過測量相機到被攝對象的距離 (L1) ，并基于此距離和鏡頭的焦點來計算出能在圖像傳感器上成像的位置 (L2) ，并驅動鏡頭使之對焦。

※1 相機到被攝對象的距離 (L1) 是通過使用紅外線傳感器檢測紅外線的反射而測出的。

圖3a. 主動型AF系統的測距方法

圖3b. 驅動鏡頭在圖像傳感器上成像的方法

主動型AF主要由測距傳感器 (如紅外線傳感器等) ，磁鐵，霍爾元件，鏡頭，圖像傳感器(如CMOS傳感器等)構成。

驅動鏡頭使被攝對象在圖像傳感器上成像時，利用霍爾元件檢測出鏡頭的移動距離。

驅動數碼相機的鏡頭時，額定行程約數mm的程度。移動距離的檢測方式我們在「低漂移霍爾元件」一節中也曾介紹過，然而這種方式僅適用于額定行程在1mm程度的情況，并不適用于移動距離在1mm以上的數碼相機。

圖4. 使用兩個霍爾元件進行位置檢測的結構圖

因此，如下圖所示，可通過使用A和B兩個霍爾元件來延長檢測距離。具體的檢測方法是，將磁鐵設置在磁極面向霍爾元件的方向，并計算兩個霍爾元件的磁通密度差 (BA-BB) (此外，檢測位移量時，兩霍爾元件的磁通密度差 (BA-BB) 等價于輸出電壓差 (VoutA-VoutB) ) 。

通過使用這種方式，可在較高精度下檢測到3mm以內的位移量 (磁鐵的位移量∝兩霍爾元件的磁通密度差 (BA-BB) ∝ 兩霍爾元件的輸出電壓差 (VoutA-VoutB) ) 。

此外，通過進行差 (VoutA－VoutB) ÷ 和 (VoutA＋VoutB) 的計算，磁鐵和霍爾元件的溫度特性的影響得以抵消，可以更為準確地檢測出鏡頭的位置。

為何上述應用例中使用了砷化銦 (InAs) 霍爾元件呢？

在高精度檢測短距離 (1/1000的精度檢測1mm以下距離) 的情況下，1個霍爾元件就可以檢測出來，因此使用溫度特性更為良好的GaAs霍爾元件來確保高精度 (如圖6a) 。

然而，在測量更長距離 (1/1000的精度檢測1mm～3mm距離) 時，通過使用多個霍爾元件并利用上述差÷和的計算，可以延長檢測距離。這個演算方式還可以消除溫度特性的影響，所以使用比GaAs霍爾元件具有更佳的S/N比的InAs霍爾元件時，能獲得更高的精度 (如圖6b) 。

圖6a. InAs霍爾元件和GaAs霍爾元件的輸出電壓的溫度特性 (B=50mT)

圖6b. InAs霍爾元件和GaAs霍爾元件的S/N ※InAs霍爾元件視為參考值1

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