技术文章—磁传感器在IoT领域中的应用

无线技术的进步导致了低成本、低功耗、SoC(芯片上的系统)支持——支持大量的无线协议，如蓝牙，Zigbee, Z-Wave和ANT+。有了这些SoC，开发人员可以围绕家庭、企业、工厂和环境设计设备——以及安装或植入人体和动物体内的设备——这些设备可以通过互联网感知环境和交流。这些设备通常被称为物联网(IoT)设备。这类物联网设备中常用的三种磁传感器是TMR(隧穿磁阻传感器)、裸簧开关和霍尔传感器。设备设计者在了解这三种传感器的特点后，可以根据实际情况选择最优方案。

磁性传感器在物联网设备中扮演着重要的角色，让我们来看看一些例子。近距离感应是磁传感器非常普遍的应用。典型的例子是通常在家庭安全系统中安装的门窗传感器(图一)，传感器安装在门或窗边框或外壳上，一个磁性装置安装在靠近传感器的门或窗扇上。当门或窗打开时，传感器检测到磁场和无线通讯的状态以达到安全系统的要求。

图一：家庭安全系统

磁性传感器也可以用来计算车轮和仪表的转动。在工厂装置中，测量液体流量的流量计，如图二所示，通常采用磁传感器来感应推动器的转动。在自行车上，磁传感器计算车轮和曲轴的转动。磁性传感器也可以用来测量液位使用磁性浮子和一系列传感器，可以“感知”浮子随着液位的移动。所有这些应用程序都利用固定表面上的磁性传感器，并与附近表面上相对于传感器移动的磁铁一起工作。

图二： 磁传感器在计量中的应用

通常情况物联网设备需要一个模式选择拨盘或面板，允许用户手动选择适当的模式或电平设置。传统的实现方法是使用机电触点，当拨号盘旋转时开关触点。然而，随着时间的推移，电气工程师们已经发现，机电触点容易失效。可以用一种非接触式设计来替代，这种设计在每个模式位置使用磁性传感器，并使用一块磁铁旋转来激活传感器。

最后，一个越来越普遍的磁传感器应用是触发“通电”功能。特别是对于密封的、小电池驱动的物联网设备，设计者需要一种方法来保持设备处于“断电”或“休眠”模式，直到使用者开始使用设备。很好的例子是可穿戴式连续血糖仪，用于测量和传达身体血糖水平给患者、医生和胰岛素泵(图三)。

图三：可穿戴式连续血糖仪

机械开关和电池的“标签”可以使设备断电，但是当设备处于恶劣环境中，会对设备造成影响。一种较好的方法是在密封装置内部使用磁性传感器，并在装置外部加上一个小磁铁，通常嵌入在装置的保护包装中。这样，当设备从包中取出时，也就意味着设备远离磁场，此时传感器输出改变，高低电平的转换即可让电路从“关断”到“打开”设备。这种方法不仅节约了电池的电量，它还为用户提供“即时”或“开箱即用的体验”。

所有这些磁性传感器功能的重要考虑因素包括功率消耗、灵敏度、输出响应选项、尺寸、可靠性和成本。几种常见的磁性传感器选项，每种都有其在物联网设备方面的优缺点。

干簧管

最简单的磁性传感器是干簧管。簧片开关是由两个黑色金属“簧片”组成的机电装置把它拉到导线上，用玻璃管包起来。磁场将两个簧片拉在一起闭合电路。簧片开关通常用于各种物联网设备，最引人注目用于安全系统、仪表和植入式医疗设备的门窗传感器。簧片开关最大的优点是它们是零功耗的无源器件。簧片开关还具有简单、便宜、灵敏度范围有限的优点。然而，簧片开关有几个重要的限制。簧片开关的限制条件之一是尺寸。最常见的簧片开关长度为10mm，这对于一些物联网设备来说是可以接受的，但对于许多需要传感器尺寸小于1mm平方范围的可穿戴和可植入设备来说就不太合适了。更小的簧片开关是可用的，(低至5mm长度)，但它们非常昂贵，很难获得。簧片开关也可能有较差的可靠性，由于其机械性质和固有的脆性玻璃管设计。过模制的簧片开关通过保护玻璃管和管外导线周围的密封提高了可靠性，但这增加了成本，也增加了尺寸。

霍尔效应传感器

另一种经受住了时间考验的磁传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应是在导体上产生的电压差(霍尔电压)，它与导体中的电流和垂直于电流的外加磁场是横向的。霍尔效应传感器是一种固态CMOS技术，具有体积小、可靠性高、成本低等优点。霍尔传感器最大的缺点是它们的电流消耗。大多数霍尔效应传感器的电流超过几微安，这对许多电池驱动的物联网设备来说是一个问题。

磁阻传感器

最后一类磁传感器是磁阻传感器。基于导体的电阻在磁场中会发生变化的原理，不同的磁阻技术被发展成为磁阻传感器的基础。虽然所有这些传感器都具有固态集成电路、体积小、成本低和可靠性高的优点，但隧穿磁阻传感器提供了最高灵敏度和最低功耗的组合。TMR传感器的功耗低至200nA。此外，TMR传感器是所有MR传感器中最敏感的，相当于最敏感的簧片开关的灵敏度。高灵敏度的传感器可以使用更小、更便宜的磁铁或更长的激活距离。表一总结了簧片开关、霍尔传感器和TMR传感器的相对优缺点。在功耗、开关频率、可靠性、灵敏度、尺寸、抗噪性和成本等方面，TMR传感器都超过了其他磁敏技术。

表一： 干簧管/HALL/TMR传感器比较

一旦为您的需求选择了最佳的传感器技术，仍然需要决定哪些传感器输出、传感器极性响应、传感频率和磁灵敏度适合您的应用。接下来是设计磁性子系统的挑战。(确定传感器的方向，磁铁的位置，以及磁铁的尺寸和类型，以满足操作要求和限制成本)。大多数电气和机械产品设计工程师没有经验、知识或工具来正确设计和验证磁敏设计。在这种情况下，这些物联网设备设计者应该选择磁传感器供应商，他们提供专门的应用工程支持、知识和工具来帮助进行磁感设计过程。

“物联网”可能是一个行业流行语，但它是一个真实的趋势，正影响着我们世界各地的许多不同应用程序。虽然磁性传感器提供了支持物联网世界中改变生活的设备的技术，但设备设计师必须了解不同类型的好处，以便为他们的设计选择正确的解决方案。

Coto技术是全球小信号转换产品的市场领导者，产品应用于自动化测试设备、数据采集、仪器仪表、工艺流程控制、电信、医疗和安全市场。为客户提供高品质、创新的能力而受到认可小信号开关产品。Coto产品有干簧管，继电器（固态继电器和水银继电器）和TMR sensor（隧道磁电阻），Coto的继电器（Relay）产品在ATE（Automated Test Equipment）领域中的出货量在全球排名第一。

成都迈极芯科技有限公司（www.magic-chips.com）是Coto Technology中国区代理，主营业务包括：推广Coto全系列产品；基于FPGA（Xilinx或国产FPGA）的核心板设计开发，包括基于客户需求的定制化；