低功耗磁性感测器是如何兼顾省电和强固性？

感测设备的强固性与省电性曾是个两难抉择。以位置感测应用而言，使用光学编码器、电位器是比较省电的选择，但这两种元件都无法耐受严苛环境。磁性感测器虽有较好的强固性，却比较耗电。如今，随着低功耗磁性感测器出现，强固性与省电性已可以兼顾。

在行动装置和消费性应用领域，低功耗无疑是最主流的设计思维。不过，对许多其他应用领域的系统产品来说，低功耗也是产品设计时的重点。例如对不易接近地区安装在偏远地区的仪器、或是安装在地下、海底等人类难以接近地点的感测系统来说，功耗越低，则维护的财务成本与作业难度就可以大幅降低。
在这类的应用中，系统不仅要低功耗，而且还必须极为强固，因为这类产品可能在温度变化剧烈、高湿度、高压或是有污染物存在的环境下运作，其环境条件极为严苛。

在各种感测应用中，位置感测是很常见的应用需求，但过往的位置感测方法不是强固性有疑虑，就是功耗相对较高。不过，随着技术进步，要实现兼具高强固性与低功耗特性的位置感测已经不再是问题。

位置感测应用无所不在　电位/光学编码强固性有缺失
无论是在最简单或最复杂的应用中，旋转和线性位置感测都是很常见的需求。

一般而言，如果是要开发比较简单的应用，设计人员通常倾向采用典型的电位器(Potentiometer)做为位置感测器，要求较高的应用则通常会使用光学编码器。然而，若将强固性和严苛条件耐受度加进需求列表中，则这些装置都不是最理想的选择。电位器容易发生各种电器及机械故障，造成元件失效。此外，不管是光学编码器或电位器，其运作都很容易受到灰尘、污垢、油脂和液体等污染物的影响；剧烈撞击或震动也会使这些装置无法维持精确的测量输出。

将感测器加以密封，可以避免受到环境物质的污染，然而这种方式很昂贵，而且可能会牺牲主机产品的组装或机构设计，而且密封体的任何损坏或老化，可能会缩短感测器系统的运作寿命。

磁性位置感测强固性佳　功耗问题已有大幅改善
除了光学编码器之外，还有一种可以实现非接触式感测的方式，亦即磁性位置感测。然而，以往对功耗要求较为严格的应用，大多不喜欢采用磁性位置感测器，因为这类元件给人功耗很高的刻板印象。从磁性位置感测器的运作模式来说，这样的刻板印象并没有错，但是随着技术进步，这样的看法现在已经过时了。

尽管如此，磁性感测的原理还是值得研究，以便瞭解为何功率问题是引发设计人员疑虑的原因。由Edwin Hall发现的霍尔效应(Hall Effect)，解释了磁场如何影响流过导体的电流。简单来说，霍尔效应电磁感测器的工作原理，就是垂直作用于某导体的磁场(B)会影响流过导体的电流(I)(图1)。一个两极磁铁的旋转，会让附近的导体感受到磁场强度随着极性从N极摆荡到S极并再次返回而有所变化。这种磁场的变化会成比例地影响流过导体的电流，这种持续变化的电流会形成导体的电压 (VH)，很容易测量。

图1　霍尔效应解释磁场如何影响流过导体的电流。

在磁性位置感测器(MPOS)中，电压讯号可经数学运算转换成角度或直线位移的测量结果。但为了使感测器运作，需要有电流流过导体来启动霍尔元件。

由于霍尔感测器以这种方式汲取电流，所以相较其他技术，例如电位器及光学编码器，霍尔感测器一般会使用更多电流。现今的霍尔感测是使用矽元件来产生电压，并将讯号处理和运算功能整合在单一电路中。然而，这种会被磁场影响的电流，仍是整个元件运作的核心。

MPOS有一个能胜过电位器的优点，有助于缓解功耗问题。电位器是一种被动式机电装置，无法让设计工程师配置其功率设定。电位器总是在开启状态，总是汲取相同的电流。而MPOS则是一种具有内建控制及配置电路的智慧型装置，可以实现各种低功耗设定。

MPOS最显着的省电方式是电力循环，在停机(Stop)模式时，可以将功耗降至0。然而，MPOS在启动时的确需要相较稳定运行时更多的电流，而且在启动时也需要处理时间。如此一来，某个动作开始的时间，与MPOS提供位移量测的时间之间是有延迟，就成为一个问题。这点在某些应用中无法被接受。

还有另外一种降低MPOS耗电量的方法，也就是将感测器中不重要的元件断电，只有在需要量测时才提供电力给它们。越多的电路元件被断电，则感测器从断电到可以开始采样所需的时间就越长。

为协助设计师在任何特定应用中达成速度和功率之间的正确平衡，奥地利微电子最近发表了一系列旋转MPOS，能提供使用者深度和浅度断电的模式选择。两种低功率状态以及"正常(Always On)"模式，各自支援不同的采样速率。这让设计师可以选择适合整体系统功率需求的采样速率。

在深度断电模式，感测器仅汲取3μA电流，最大功耗为9.9μW。另一种低功率模式会让电源启动(Power-On)重置电路保持作用；在这个模式中，晶片会汲取33μA 电流，最大功耗则是108.9μW。在"正常"模式，最大功耗是28mW。启动此装置所需的额定时间是580μs，而在样本撷取以及产生中断输出至微控制器之间的延迟是500μs。