磁傳感器在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中發(fā)揮著越來越重要的作用，因此要想設(shè)計出最佳、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)勢和劣勢。下面我們討論三種最流行的磁性技術(shù)。

無線技術(shù)的最新研究使得低成本、低功耗的SoC(片上系統(tǒng))可以支持多種無線協(xié)議，如藍牙、ZigBee、Z-Wave和Ant+。通過這些SoC，開發(fā)人員可以在家庭、商業(yè)、工廠和環(huán)境中設(shè)計設(shè)備，以及在人體和動物體內(nèi)作植入，以此感知環(huán)境并通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信。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、裸簧片開關(guān)和霍爾傳感器。研發(fā)人員在決定為其設(shè)計選擇哪種磁傳感器時，他們應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)揮著越來越重要的作用，下面讓我們看一些例子。

接近感應是磁傳感器的常用方法。典型的例子是家庭安全系統(tǒng)中常見的門窗傳感器(如圖1)。當把傳感器安裝在門、窗框或外殼上時，磁鐵安裝在傳感器附近的門或窗框上。當門或窗打開時，傳感器檢測不到磁場就將狀態(tài)通過無線傳輸傳送到安全系統(tǒng)基站。

圖1：磁傳感器在許多常見的防盜報警器的操作中起著至關(guān)重要的作用

磁傳感器也能用來計算車輪和儀表的旋轉(zhuǎn)。在工廠設(shè)置中，測量液體流量的流量計(圖2)通常利用磁傳感器來感測葉輪的旋轉(zhuǎn)。而在自行車上，磁傳感器被用來計量車輪和曲軸的旋轉(zhuǎn)。

當磁傳感器用作磁性浮子和一系列傳感器共同測量液位時，這些傳感器可以隨著液位移動而感應浮子。這些應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移動的這個原理。

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

通常，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要模式選擇撥盤或擋板，允許用戶手動選擇適當?shù)哪Ｊ交蛟O(shè)置級別。傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法是使用機械觸點，在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時打開和關(guān)閉。然而，隨著時間的推移，電氣工程師發(fā)現(xiàn)機電觸點容易發(fā)生故障，可以用非接觸式的設(shè)計來替代，在每個模式位置使用磁性傳感器和旋轉(zhuǎn)的磁鐵來激活傳感器。

最后，觸發(fā)“通電”功能已成為越來越常見的磁傳感器應用。特別是對于密封的、小型電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計人員需要用一種方法使得設(shè)備在用戶主動干預之外的情況下保持“關(guān)機”或“休眠”模式。一個很好的例子是可穿戴式連續(xù)血糖儀，用于測量并在患者、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“開機”功能

機械開關(guān)和電池“標簽”可以使設(shè)備斷電，但缺點是它們也使設(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性包裝中。這樣，當從包裝中取出設(shè)備時(并且同時遠離磁體的磁場)，傳感器輸出改變并且由電路“打開”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“即時開啟”或“開箱即用體驗”。

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

最簡單、最長的磁傳感器是古老的裸簧開關(guān)?；善_關(guān)是一種機電裝置，由兩個黑色金屬“簧片”組成，每個金屬簧片與導線相連，封裝在玻璃管內(nèi)。磁場把兩個簧片拉到一起，形成一個回路?；善_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)備的門窗傳感器。

簧片開關(guān)最大的優(yōu)點是自身作為無源器件是不消耗功率的，此外它很簡單、價格較低，并且靈敏度范圍有限。盡管如此，簧片開關(guān)卻有幾個明顯的局限性?；善_關(guān)的限制之一是尺寸。最常見的簧片開關(guān)長度為10毫米，對于某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是可接受的，但對于許多需要小于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。

更小的簧片開關(guān)(長度小至5mm)是非常昂貴且難以獲得。由于其機械特性和玻璃管設(shè)計固有的脆弱性，簧片開關(guān)的可靠性較差。包覆成型的簧片開關(guān)通過保護玻璃管和離開管子的引線周圍的密封件來提高可靠性，但這卻增加了成本和尺寸。

另一種經(jīng)受時間考驗的磁傳感器類型是霍爾效應傳感器?；魻栃窃陔妼w上產(chǎn)生電壓差(霍爾電壓)，與導體中的電流和垂直于電流的外加磁場交叉。

作為固態(tài)CMOS技術(shù)，霍爾效應傳感器體積小，可靠性高且成本低?；魻杺鞲衅鞯淖畲笕秉c是比較消耗電流。大多數(shù)霍爾效應傳感器要消耗超過幾微安(μA)的電流，這對許多電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言是個難題。

最后一類磁傳感器是磁阻(MR)傳感器?；诖嬖诖艌龅那闆r下導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、體積小、成本低和可靠性高的特點，但隧道磁阻(TMR)傳感器實現(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，相當于最靈敏的簧片開關(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的激活距離。

表1總結(jié)了簧片開關(guān)、霍爾傳感器和TMR傳感器的相對優(yōu)缺點。在功耗、開關(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：該表為簧片開關(guān)、霍爾效應和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)，還需要決定以哪個傳感器輸出、傳感器極性響應、感應頻率和磁靈敏度等。然后是設(shè)計磁子系統(tǒng)所要面對的挑戰(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)電氣和機械產(chǎn)品設(shè)計工程師沒有經(jīng)驗、知識或工具來正確設(shè)計以及驗證磁感應設(shè)計。在這種情況下，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計師應選擇能提供專業(yè)應用工程支持、知識和工具的磁傳感器供應商，來幫助進行磁傳感器的設(shè)計。

“物聯(lián)網(wǎng)”或許是一個行業(yè)流行詞，但它更是一個非常真實的趨勢，觸及了我們生產(chǎn)生活上許多不同的應用。雖然在萬物互聯(lián)時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)計人員必須了解不同類型的優(yōu)勢，這樣才能為其設(shè)計選擇最佳的解決方案。

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