低功耗TMR磁阻開關傳感器的典型應用 - 磁傳感器 - 傳感器知識庫
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低功耗TMR磁阻開關傳感器的典型應用

發布日期:2018年08月17日    瀏覽次數:3445

在固態磁阻傳感器發展之前,磁力動作的磁簧開關已經廣泛應用了數十年之久,為位置傳感提供了久經考驗且價格便宜的解決方案。隨著霍爾效應技術的發展,霍爾效應傳感器開始在一些電池供電的應用中取代磁簧開關,如手機、筆記本、消費電子和白色家電。

 

盡管霍爾效應傳感器已經成功用于一些低功耗應用領域,但目前在許多應用中它還不能取代磁簧開關,因為它們無法滿足應用領域對傳感器高靈敏度和低功耗的要求。

 

對于尋找磁簧開關替代方案以減小開關尺寸、提高開關質量和耐用性、并最大限度延長電池壽命的設計工程師來說,新型隧道磁阻技術能夠為他們提供微安級(uA)的開關功耗,同時還具有高靈敏度的特性,且性價比優于磁簧開關。


一、干簧管

 

干簧管(ReedSwitch)也稱舌簧管或磁簧開關,是一種磁敏的特殊開關,1936年由貝爾電話實驗室的沃爾特.埃爾伍德(Walter B. Ellwood)發明,他本人已于1940年在美國申請了專利。此后的幾十年時間里,干簧管被工業界廣泛應用,逐漸成為一種高性價比的磁力位置開關傳感器。

 

干簧管通常有兩個軟磁性材料做成的、無磁時斷開的金屬簧片觸點(有的還有第三個作為常閉觸點的簧片),這些簧片觸點被封裝在充有惰性氣體(如氮、氦等)或真空的玻璃管里,玻璃管內平行封裝的簧片端部重疊,并留有一定間隙或相互接觸以構成開關的常開或常閉觸點。

 

由于金屬簧片觸點被密封在玻璃管內,所以不受外界環境的影響,工作非常穩定;惰性貴金屬觸點的熔點高,能減少電弧放電對觸點表面的損耗,所以能維持較長時間的工作壽命;利用永久磁鐵能容易地控制簧片開關,是一種高性能低價格的理想電子零部件。

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干簧管幾個重要的基本特性參數為:

-吸合值(Pull-in Value,簡稱PI值,單位是AT):這是是干簧管最重要的工作特性,它是線圈工作所必需的工作電流與線圈圈數的乘積,它表示干簧管的靈敏度,PI值越低意味著干簧管的靈敏度越高。

-開斷值(Drop-out Value,簡稱DO值):它是當觸點釋放時流過線圈的電流與線圈圈數的乘積,DO值是和PI值相關聯的重要參數。

-工作壽命:要保證連續工作達到一定的次數。

-觸點耐壓(Breakdown Voltage,單位是V):為保持正常工作,觸點間能夠承受最大開關電壓,或者對線路中的瞬間過載電壓所能承受的值。

-接觸阻抗(Contact Resistance,單位是mΩ):觸點在閉合時兩端子間的阻抗,包括導線部分的電阻。

-絕緣阻抗(Insulation Resistance,單位是mΩ):兩端子間的絕緣阻抗,是對玻璃管以及玻璃管表面漏電流的阻抗。


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二、TMR磁開關傳感器

 

TMR磁開關傳感器是一種高靈敏度、高頻響、低功耗和高精度的磁觸發數字開關,集成了采用高精度推挽式半橋TMR磁傳感器和CMOS集成電路,能將變化的磁場信號轉化為數字電壓信號輸出。

 

TMR開關傳感器通過內部電壓穩壓器來提供溫度補償電源,并允許寬的工作電壓范圍。TMR開關傳感器以低電壓工作、極高響應頻率、微安級的供電電流、寬的工作溫度范圍和高ESD耐壓成為眾多開關類應用的理想選擇。


TMR磁開關傳感器的典型優勢:

-是一種固態開關,沒有可移動的部件

-多維科技的TMR磁開關包括單極、推挽式雙極鎖存以及全極輸出三種類型

-高靈敏度:靈敏度可達到2Gs,允許使用更小的磁鐵或者更大的工作間隙,便于安裝

-低功耗:連續供電工作狀態下,功耗低至[email protected]

-寬工作電壓范圍:1.8~5.5V

-優秀的溫度特性:工作溫度范圍寬,-40-150℃

-高頻率響應:最高可達5kHz 

-抗強磁干擾:3000Gs

-小型封裝:SOT23-3、TO92、LGA


隨著技術的日益進步,磁阻技術得到了很好的商業化發展,干簧管已經不再是磁力開關的唯一選擇。對于尋找干簧管替代方案以增加開關靈敏度、減小開關尺寸、提高開關質量和耐用性、并最大限度延長電池壽命的設計工程師來說,新型隧道磁阻(TMR)技術能夠為他們提供微安級(uA)的開關功耗,同時還具有高靈敏度的特性,具有更高的性價比。


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TMR磁開關傳感器與干簧管比較

序號

性能對比

TMR磁開關傳感器

玻璃封裝干簧管

1

使用壽命

無機械觸點,非接觸式使用

機械觸點,易磁化,使用壽命短

2

傳感器制造長度

最長可以做到20m

只能做到5m左右

3

傳感器盤繞

盤繞直徑30cm

不能盤繞

4

波紋管封裝

可以波紋管封裝20m長,傳感器隨波紋管彎曲、盤繞

不能彎曲、盤繞

5

傳感器焊接方式

自動化回流焊,焊接設備和工藝保證了產品可靠性和一致性

手工焊,故障率高

6

傳感器管腳成型

表面貼裝磁傳感器,焊接前不需要管腳成型

人工管腳成型玻璃干簧管易碎

7

運輸和搬移

成品運輸和搬移安裝過程中物理碰撞和振動不會造成傳感器損壞

跌落、巨力震動等容易造成玻璃干簧管破碎

8

傳感器磁化

TMR磁傳感器,不會被磁化

會被磁化造成干簧管舌簧分離不開使傳感器失效


三、TMR磁開關傳感器的典型應用


1、流量計中的瞬時流量檢測、大流量報警、逆流檢測等

 

智能水表一般由電池供電,國家標準要求要智能水表的使用年限為六年,智能水表制造商們的內部標準為6+1年,這就對智能水表傳感器的功耗提出了苛刻的要求。由于受傳感器的功耗、壽命、響應頻率的限制,數字化水表的常用方案是通過齒輪的變速,把傳感器安裝在10升流量位置,檢測10升指針的旋轉次數進行累計,這樣的設計只能測量一段時間內的累計流量,而不能測量瞬時流量。目前在智能水表中普遍使用的干簧管,由于其體積大,不宜安裝,影響了表的小型化,智能化;同時由于水錘效應,會發生抖動現象,影響了計量精度。

 

多維科技磁阻傳感器采用TMR磁隧道結技術,靈敏度高、響應頻率高、功耗低,非常適合于水表、機械式熱量表等電池供電場合應用。

 

由于TMR磁傳感器的固有特點,非常適合智能水表應用。響應頻率高,達到1kHz以上,可直接測量葉輪的轉速,得到水表的瞬時流量,可以實時監控用水情況。采用兩個TMR傳感器,根據四種不同狀態信號,可以獲得葉輪的旋轉速度和旋轉方向。通過測量葉輪的轉速,多維科技TMR傳感器可以實現:瞬時流量檢測、漏水及大流量報警、逆流檢測等功能。

 

電子水表

主要產品:(1)TMR1202雙極鎖存型開關傳感器;(2)TMR1302全極型開關傳感器

應用要求:(1)直接檢測葉輪轉速;(2)高頻響,低功耗,溫度穩定性高

性能優勢:(1)高頻響特性,保證計量準確,不丟失數據;(2)緊湊的開關點分布,保證輸出方波的占空比穩定,可提高計量精度;(3)較高的靈敏度,保證長時間的計量可靠性;(4)良好的溫度特性(功耗和開關點隨溫度和電壓的變化小)保證系統的使用壽命和計量可靠性

 

智能水表

主要產品:TMR1302全極型開關傳感器

應用要求:(1)檢測指針轉速;(2)低功耗,連續工作,可靠性好

性能優勢:(1)連續工作,1.5uA低功耗特性,保證計量準確,不丟失數據;(2)緊湊的開關點分布,保證輸出方波的占空比穩定,可提高計量精度;(3)較高的靈敏度,保證長時間的計量可靠性;(4)良好的溫度特性(功耗和開關點隨溫度和電壓的變化小)保證系統的使用壽命和計量可靠性;(5)標準的高低電平,直接接入后端處理器

 

直讀式水表

主要產品:TMR3002角度傳感器

應用要求:直接檢測字輪位置

性能優勢:(1)可配濕式水表,滿足起始流量和成本要求;(2)讀數字輪360°全圓周測量,測量分辨率取決于模數轉換的實際精度,讀數準確率100%,不存在臨界狀態和模糊狀態;(3)電子元器件的大幅度減少,大大降低了產品因器件故障引起風險;(4)克服了光電直讀方案光通路穿過水表液封介質中氣泡時,光的反射與折射引起讀數誤碼。

 

2、液位計

液位計是汽車、油氣、田油、水處理站及石油化工裝置自動化控制系統的重要組成部分。以汽車行業為例,目前汽車液位傳感器行業主要采用干簧管技術,但干簧管件與件之間的開關性能差異較大,而且還需要剪切、彎折引腳,其成本相對較高。另外,干簧管切換時間較長,且玻璃管還很容易破裂。TMR磁開關傳感器的諸多優勢,解決了干簧管在汽車應用上的弊端。

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干簧管液位計和TMR液位計比較


性能比較

TMR液位計

干簧管液位計

輸入電壓范圍

5±0.5Vdc

系統電壓

輸出信號類型

電壓

電阻輸出或電壓輸出

功耗

3uA

零功耗

電平切換時間

成本


多維科技TMR磁開關傳感器產品發布歷程


2012年1月17日,多維科技第一款低功耗TMR磁開關傳感器,用于電池供電的智能流量計,包括水表、熱量表和氣體流量計。

 

2013年5月14日,多維科技專門推出為電池供電的磁開關應用系統而設計的超低功耗([email protected])、高頻響(1kHz)、以及優異的溫度穩定性的超低功耗TMR磁開關傳感器。

 

2015年6月9日,多維科技推出高靈敏度的TMR1309磁開關傳感器。這兩款新產品具備高靈敏度,開關點僅為2Gauss(0.2mT),同時兼備高速工作狀態下1.5微安的超低功耗,以及良好溫度穩定性,適用于電池供電,同時對精密測量、性能一致性、溫度穩定性有嚴格要求的高端傳感器應用。典型應用包括無線門禁,以及智能藥丸和便攜式藥物遞送裝置等智能醫藥器具。

 

2016年1月26日,多維科技專門為高性能工業類傳感器應用推出小回差、超小尺寸、超低功耗和具有良好溫度穩定性的TMR1340 / TMR1341 / TMR1343 / TMR1345 系列磁開關傳感器。

 

2016年12月5日,多維科技推出了一款智能型的磁性位置檢測傳感器TMR1401,對于移動部件中不同磁場強度的磁體,以及不同的檢測距離,均能實現磁體(移動部件)的準確定位。


2017年12月21日,多維科技推出帶無源磁記憶功能的超低功耗雙極鎖存開關傳感器TMR1212,它是包括雙穩開關、固態開關、速度檢測、線性及旋轉位置檢測等眾多工業類應用的理想選擇。


2018年8月8日,多維科技推出200nA更低功耗TMR磁開關傳感器TMR1162/TMR1262/TMR1362,其主要特點包括,200nA超低功耗,50Hz頻率響應,-40~125℃的工作溫度范圍,良好的抗外磁場干擾特性,SOT-23或TO-92或LGA封裝。TMR1162/TMR1262/TMR1362磁開關的用途包括智能流量計、接近開關、無線門禁、智能藥丸和便攜式智能醫藥器具等靠電池供電的磁傳感器應用。與市場上其他納安級磁傳感器產品相比,TMR1162/TMR1262/TMR1362磁開關具有更低的功耗、更高的頻響、更寬的工作溫度范圍和優秀的抗外磁干擾能力。


目前,多維科技已經為工業界提供了一個不斷完善的磁開關產品系列。


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