磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此要想設(shè)計(jì)出最佳、最有效/最具成本效益的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，人們必然要充分了解這些傳感器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。下面我們討論三種最流行的磁性技術(shù)。

無(wú)線技術(shù)的最新研究使得低成本、低功耗的SoC(片上系統(tǒng))可以支持多種無(wú)線協(xié)議，如藍(lán)牙、ZigBee、Z-Wave和Ant+。通過(guò)這些SoC，開(kāi)發(fā)人員可以在家庭、商業(yè)、工廠和環(huán)境中設(shè)計(jì)設(shè)備，以及在人體和動(dòng)物體內(nèi)作植入，以此感知環(huán)境并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。我們通常把這種設(shè)備稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。在IoT設(shè)備中常用到三種類型的磁傳感器，它們分別是TMR(隧道磁阻)傳感器、裸簧片開(kāi)關(guān)和霍爾傳感器。研發(fā)人員在決定為其設(shè)計(jì)選擇哪種磁傳感器時(shí)，他們應(yīng)該知道選擇的方法是什么。

磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，下面讓我們看一些例子。

接近感應(yīng)是磁傳感器的常用方法。典型的例子是家庭安全系統(tǒng)中常見(jiàn)的門(mén)窗傳感器(如圖1)。當(dāng)把傳感器安裝在門(mén)、窗框或外殼上時(shí)，磁鐵安裝在傳感器附近的門(mén)或窗框上。當(dāng)門(mén)或窗打開(kāi)時(shí)，傳感器檢測(cè)不到磁場(chǎng)就將狀態(tài)通過(guò)無(wú)線傳輸傳送到安全系統(tǒng)基站。

圖1：磁傳感器在許多常見(jiàn)的防盜報(bào)警器的操作中起著至關(guān)重要的作用

磁傳感器也能用來(lái)計(jì)算車(chē)輪和儀表的旋轉(zhuǎn)。在工廠設(shè)置中，測(cè)量液體流量的流量計(jì)(圖2)通常利用磁傳感器來(lái)感測(cè)葉輪的旋轉(zhuǎn)。而在自行車(chē)上，磁傳感器被用來(lái)計(jì)量車(chē)輪和曲軸的旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)磁傳感器用作磁性浮子和一系列傳感器共同測(cè)量液位時(shí)，這些傳感器可以隨著液位移動(dòng)而感應(yīng)浮子。這些應(yīng)用都是利用固定表面上的磁傳感器與附近表面上的磁體一起工作，而其中磁體和傳感器是相對(duì)移動(dòng)的這個(gè)原理。

圖2：關(guān)于流量計(jì)測(cè)量液體流量，以及磁傳感器計(jì)算葉輪的旋轉(zhuǎn)

通常，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要模式選擇撥盤(pán)或擋板，允許用戶手動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ交蛟O(shè)置級(jí)別。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是使用機(jī)械觸點(diǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。然而，隨著時(shí)間的推移，電氣工程師發(fā)現(xiàn)機(jī)電觸點(diǎn)容易發(fā)生故障，可以用非接觸式的設(shè)計(jì)來(lái)替代，在每個(gè)模式位置使用磁性傳感器和旋轉(zhuǎn)的磁鐵來(lái)激活傳感器。

最后，觸發(fā)“通電”功能已成為越來(lái)越常見(jiàn)的磁傳感器應(yīng)用。特別是對(duì)于密封的、小型電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計(jì)人員需要用一種方法使得設(shè)備在用戶主動(dòng)干預(yù)之外的情況下保持“關(guān)機(jī)”或“休眠”模式。一個(gè)很好的例子是可穿戴式連續(xù)血糖儀，用于測(cè)量并在患者、醫(yī)生和胰島素泵之間反饋血糖水平(圖3)。

圖3：可穿戴式血糖儀使用磁性傳感器觸發(fā)“喚醒”或“開(kāi)機(jī)”功能

機(jī)械開(kāi)關(guān)和電池“標(biāo)簽”可以使設(shè)備斷電，但缺點(diǎn)是它們也使設(shè)備的電子裝置易受惡劣環(huán)境的影響。最好的方法是在密封裝置內(nèi)部使用磁傳感器，該磁傳感器與裝置外部的小磁鐵耦合，通常嵌入到裝置的保護(hù)性包裝中。這樣，當(dāng)從包裝中取出設(shè)備時(shí)(并且同時(shí)遠(yuǎn)離磁體的磁場(chǎng))，傳感器輸出改變并且由電路“打開(kāi)”設(shè)備。這種方式不僅可以節(jié)省電池電量，還能為用戶提供“即時(shí)開(kāi)啟”或“開(kāi)箱即用體驗(yàn)”。

磁傳感器性能的重要考慮因素包括功耗、靈敏度、輸出響應(yīng)、尺寸、可靠性和成本。在幾種常見(jiàn)的磁傳感器中，每種選擇都有其與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。

最簡(jiǎn)單、最長(zhǎng)的磁傳感器是古老的裸簧開(kāi)關(guān)。簧片開(kāi)關(guān)是一種機(jī)電裝置，由兩個(gè)黑色金屬“簧片”組成，每個(gè)金屬簧片與導(dǎo)線相連，封裝在玻璃管內(nèi)。磁場(chǎng)把兩個(gè)簧片拉到一起，形成一個(gè)回路。簧片開(kāi)關(guān)常用于各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，尤其是用于安全系統(tǒng)、儀表和植入式醫(yī)療設(shè)備的門(mén)窗傳感器。

簧片開(kāi)關(guān)最大的優(yōu)點(diǎn)是自身作為無(wú)源器件是不消耗功率的，此外它很簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，并且靈敏度范圍有限。盡管如此，簧片開(kāi)關(guān)卻有幾個(gè)明顯的局限性。簧片開(kāi)關(guān)的限制之一是尺寸。最常見(jiàn)的簧片開(kāi)關(guān)長(zhǎng)度為10毫米，對(duì)于某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是可接受的，但對(duì)于許多需要小于1毫米平方范圍的傳感器尺寸的可穿戴和植入式設(shè)備則不太合適。

更小的簧片開(kāi)關(guān)(長(zhǎng)度小至5mm)是非常昂貴且難以獲得。由于其機(jī)械特性和玻璃管設(shè)計(jì)固有的脆弱性，簧片開(kāi)關(guān)的可靠性較差。包覆成型的簧片開(kāi)關(guān)通過(guò)保護(hù)玻璃管和離開(kāi)管子的引線周?chē)拿芊饧?lái)提高可靠性，但這卻增加了成本和尺寸。

另一種經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)的磁傳感器類型是霍爾效應(yīng)傳感器。霍爾效應(yīng)是在電導(dǎo)體上產(chǎn)生電壓差(霍爾電壓)，與導(dǎo)體中的電流和垂直于電流的外加磁場(chǎng)交叉。

作為固態(tài)CMOS技術(shù)，霍爾效應(yīng)傳感器體積小，可靠性高且成本低。霍爾傳感器的最大缺點(diǎn)是比較消耗電流。大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器要消耗超過(guò)幾微安(μA)的電流，這對(duì)許多電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言是個(gè)難題。

最后一類磁傳感器是磁阻(MR)傳感器。基于存在磁場(chǎng)的情況下導(dǎo)體的電阻將改變的原理，不同的磁共振技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為磁共振傳感器的基礎(chǔ)。

盡管所有這些傳感器都具有固態(tài)集成電路的優(yōu)點(diǎn)、體積小、成本低和可靠性高的特點(diǎn)，但隧道磁阻(TMR)傳感器實(shí)現(xiàn)了最高靈敏度和最低功率的組合。由于功耗低至-200nA以下，TMR傳感器代表了電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要磁傳感器功能的一種范式轉(zhuǎn)變。此外，TMR傳感器是所有MR傳感器中最靈敏的，相當(dāng)于最靈敏的簧片開(kāi)關(guān)的靈敏度。而高靈敏度傳感器可以使用更小、更便宜的磁鐵或更長(zhǎng)的激活距離。

表1總結(jié)了簧片開(kāi)關(guān)、霍爾傳感器和TMR傳感器的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。在功耗、開(kāi)關(guān)頻率、可靠性、靈敏度、尺寸、抗噪性和成本方面，TMR傳感器相比其他磁傳感技術(shù)是處于領(lǐng)先地位的。

表1：該表為簧片開(kāi)關(guān)、霍爾效應(yīng)和TMR(隧道磁阻)傳感器顯著特征的比較

一旦選擇了最適合您需要的傳感器技術(shù)，還需要決定以哪個(gè)傳感器輸出、傳感器極性響應(yīng)、感應(yīng)頻率和磁靈敏度等。然后是設(shè)計(jì)磁子系統(tǒng)所要面對(duì)的挑戰(zhàn)。(確定傳感器的方向、磁鐵的位置、磁鐵的尺寸和類型，以滿足操作要求和限制成本)。

大多數(shù)電氣和機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或工具來(lái)正確設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證磁感應(yīng)設(shè)計(jì)。在這種情況下，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇能提供專業(yè)應(yīng)用工程支持、知識(shí)和工具的磁傳感器供應(yīng)商，來(lái)幫助進(jìn)行磁傳感器的設(shè)計(jì)。

“物聯(lián)網(wǎng)”或許是一個(gè)行業(yè)流行詞，但它更是一個(gè)非常真實(shí)的趨勢(shì)，觸及了我們生產(chǎn)生活上許多不同的應(yīng)用。雖然在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代磁傳感器變革了人類生產(chǎn)生活設(shè)備中的技術(shù)，但設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須了解不同類型的優(yōu)勢(shì)，這樣才能為其設(shè)計(jì)選擇最佳的解決方案。

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