全面認(rèn)知·高靈敏度霍爾元件

在《全面認(rèn)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(jié)中將介紹高靈敏度霍爾元件（砷化銦 (InAs) ）的應(yīng)用實(shí)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(wěn)定 (參考 《全面認(rèn)知·霍爾元件》) 。使用定電壓方式驅(qū)動(dòng)能使溫度特性更為穩(wěn)定。

圖1. 砷化銦 (InAs) 霍爾元件的溫度特性 (B=50mT)

代表應(yīng)用案例

編碼器

編碼器是指通過檢測出進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn) (檢測旋轉(zhuǎn)) 編碼器稱為旋轉(zhuǎn)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(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，工廠生產(chǎn)用器械等需要精密的動(dòng)作/位置控制的設(shè)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(yùn)動(dòng)狀況。

下圖展示了磁性旋轉(zhuǎn)編碼器 (檢測旋轉(zhuǎn)角度的編碼器) 的檢測原理

圖2a. 使用了霍爾元件的旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)圖

圖2b. 使用了霍爾元件的旋轉(zhuǎn)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(huán)形) 徑向磁鐵和兩個(gè)霍爾元件構(gòu)成。

如圖2a所示，在360度旋轉(zhuǎn)的磁鐵下方，相隔90度的位置上設(shè)置了兩個(gè)霍爾元件。

磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件會(huì)產(chǎn)生如圖2b所示的sin波和cos波的輸出電壓。

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

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

數(shù)碼相機(jī)的自動(dòng)對焦系統(tǒng)

相機(jī)的自動(dòng)對焦系統(tǒng)有多種方式，這次我們將介紹圖3所示的主動(dòng)型AF系統(tǒng)。

主動(dòng)型AF系統(tǒng)是通過測量相機(jī)到被攝對象的距離 (L1) ，并基于此距離和鏡頭的焦點(diǎn)來計(jì)算出能在圖像傳感器上成像的位置 (L2) ，并驅(qū)動(dòng)鏡頭使之對焦。

※1 相機(jī)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(dòng)型AF系統(tǒng)的測距方法

圖3b. 驅(qū)動(dòng)鏡頭在圖像傳感器上成像的方法

主動(dòng)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(gòu)成。

驅(qū)動(dòng)鏡頭使被攝對象在圖像傳感器上成像時(shí)，利用霍爾元件檢測出鏡頭的移動(dòng)距離。

驅(qū)動(dòng)數(shù)碼相機(jī)的鏡頭時(shí)，額定行程約數(shù)mm的程度。移動(dòng)距離的檢測方式我們在「低漂移霍爾元件」一節(jié)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(dòng)距離在1mm以上的數(shù)碼相機(jī)。

圖4. 使用兩個(gè)霍爾元件進(jìn)行位置檢測的結(jié)構(gòu)圖

因此，如下圖所示，可通過使用A和B兩個(gè)霍爾元件來延長檢測距離。具體的檢測方法是，將磁鐵設(shè)置在磁極面向霍爾元件的方向，并計(jì)算兩個(gè)霍爾元件的磁通密度差 (BA-BB) (此外，檢測位移量時(shí)，兩霍爾元件的磁通密度差 (BA-BB) 等價(jià)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(nèi)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(jìn)行差 (VoutA－VoutB) ÷ 和 (VoutA＋VoutB) 的計(jì)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(zhǔn)確地檢測出鏡頭的位置。

為何上述應(yīng)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(gè)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(shí)，通過使用多個(gè)霍爾元件并利用上述差÷和的計(jì)算，可以延長檢測距離。這個(gè)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(shí)，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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