设计工程师在低功耗、电池驱动的应用中使用簧片开关有四个关键原因。机械簧片开关提供“零”功耗,高灵敏度,低成本。此外,还没有合适的替代技术。由于新型磁阻(MR)传感IC可提供几乎无功耗、高灵敏度、高可靠性和耐用性的位置传感,而封装在一个小包装中,这些优势不再完全正确。

在固态传感器开发之前,磁激活簧片开关已经存在了几十年,为位置传感提供了一种经过验证的廉价解决方案。簧片开关由两个铁磁引线组成,这两个引线密封在一个玻璃胶囊或管子里。当磁铁进入开关范围时,即在引线上施加一个磁场,触点闭合形成开关功能。

簧片开关一直是许多设计师的热门选择,因为它们作为机械开关的简单性和缺乏合适的替代品,特别是在低功耗的应用。簧片开关在很多产品中都有应用。应用包括消费电子、计量、安全、白色家电/电器、医疗设备、机器人和自动化设备。

虽然簧片开关在这些类型的应用中很常见,但许多设计者也认识到簧片开关有一些关键的缺点。这些包括质量问题由于破损,在生产过程和冲击和振动应用,有限的生命作为一个机械开关,尺寸问题和可靠性问题由于反弹效应(当簧片开关接触反弹导致应用程序打开,然后再上)。

随着霍尔效应技术的改进,霍尔效应传感器开始在一些电池驱动的应用中取代簧片开关,如手机、笔记本电脑、消费电子产品和白色家电。这是由不断要求更高可靠性和更高性能切换的设计师推动的。

霍尔效应传感器就像一个簧片开关,当磁铁进入设备的范围时,霍尔效应传感器就会启动。霍尔效应传感器最大的优点之一是它们是固态的,不受磨损、冲击和振动的影响。开关弹跳也不是问题,因为在固态传感器中没有移动部件。此外,霍尔效应器件比簧片开关更加坚固和紧凑,使它们非常适合在许多相同的应用中使用。价格也相当于相对便宜的簧片开关。

尽管霍尔效应传感器具有这些优点,并在一些低功耗应用领域有所突破,但在许多应用领域,霍尔效应传感器仍无法取代簧片开关,因为霍尔效应传感器无法满足许多电池驱动设备的高灵敏度和极低功耗要求。

设计工程师正在寻找另一种簧开关,以减少大小,增加质量和耐用性,和电池寿命最大化,有新的技术提供电力需求先生在子- 500 nanoamp (nA)范围内,同时提供高灵敏度的价格点相当于簧开关。

和霍尔传感器一样,磁流变传感器也是固态磁传感器。关键的区别在于霍尔效应是在感应元件的平行平面上感应,而不是在垂直平面上感应,而且它们通常更敏感。

这使得MR传感器可以用于几乎任何电池操作的应用。

这里有四个原因:高灵敏度、低功耗、小体积和固有的固态优势——为什么电池驱动产品的设计者应该考虑从簧片开关过渡到MR传感器。

1.电池操作的设备要求高灵敏度

高灵敏度磁传感器允许制造商使用更小或更低强度的磁铁,这降低了成本,并使更小的设计。过去几年,随着稀土磁铁价格大幅上涨,这已成为一个更大的问题。另一个好处是,它允许更大的气隙,这提供了更大的设计灵活性,允许设计师将传感器放置远离磁铁,仍然保持可靠性。

簧片开关提供低功率、电池操作应用所需的高灵敏度范围。簧片开关的磁灵敏度用安培匝数(AT)来测量,磁电阻传感器的磁灵敏度用高斯来测量。以10at高灵敏度簧片开关为例,这相当于一个10到20高斯磁传感器。例如,霍尔效应传感器的高灵敏度范围约为典型的30高斯。这意味着簧片开关可以以两倍于高灵敏度霍尔效应传感器的距离感知磁目标,为那些需要大气隙的应用提供了更高的设计灵活性。但是,簧片开关也有一些缺点,这些缺点将在后面讨论。

如今,随着传感器制造商不断推进磁流变技术,簧片开关并不是唯一具有高灵敏度的开关选项。随着新产品的推出,这些传感器的灵敏度相当于或高于高灵敏度的簧片开关。

2.电池驱动的设备具有极低的功率要求

在电池驱动的应用中,簧片开关的一个关键优点是它不需要电力就能工作,这使该技术成为电池驱动设备的理想技术。

直到21世纪初,磁传感器都使用毫安范围内的功率,因此它们不能用于任何低功率应用。大约在这个时候,电气工程师开始使用CMOS技术,允许磁传感器设计者在设备中添加一个内部时钟,以使其处于睡眠/清醒模式,以降低传感器的功率要求。

随着技术的改进,磁传感器的功耗降至个位数微安。例如,如今霍尔效应传感器的功率需求为3-8 μ A,这取决于制造商和部件。新的MR传感器技术仅消耗360na,可用于大多数电池驱动设备的簧片开关,所需功率比竞争传感器低10倍。

这些传感器可用于各种电池操作的应用,包括便携式电动工具、水表和煤气表、工业烟雾探测器、运动设备、安全系统、掌上电脑和扫描仪。还可用于洗碗机、微波炉、洗衣机、冰箱和咖啡机等白色家电,以及医院病床、药品配药柜、输液泵等医疗设备,以及笔记本电脑、平板电脑、无线扬声器等消费电子产品。

3.簧片开关有几个固有的缺点

簧片开关有几个固有的缺点,包括在安装过程中容易出现断裂问题,在冲击或振动应用中,耐久性较低,由于开关的机械性质而导致寿命有限,以及由于“接触弹跳”的问题。

可靠性和耐久性是簧片开关用户面临的挑战。当簧片开关上的引线焊接到电路中时,它们会弯曲,很容易使开关的玻璃外壳破裂,使开关无法使用。事实上,在这些类型的单位上有相当多的破损,而且通常,簧片开关制造商将提供非常具体的安装说明,以限制这种破损。一种解决方案是将簧片开关封装在塑料外壳中,但这增加了开关的成本和尺寸。

簧片开关也会受到冲击和振动的影响,这会使开关的触点分离,使部件不可靠。机械簧片开关会随着时间的推移而磨损。因此,手机设计师,例如,是第一个过渡到霍尔效应传感器。磁传感器是固态设备,没有移动部件,因此不会随着时间的推移而磨损。相对于簧片开关的玻璃管或外壳,它们也封装在塑料模压封装中。

“触点反弹”会导致几个通断循环(关闭/打开/关闭),也会给使用簧片开关的设计师带来问题。为了解决这个问题,工程师需要在硬件或软件中执行“反反弹”功能,这给系统增加了额外的风险,也给设计师的开发周期增加了时间。

MR传感器消除了这些问题。作为一个模压塑料包装中的固态传感器,这些单元没有移动部件,几乎不受破损和磨损的影响。

4.规模是个问题

簧片开关相对较大的尺寸使其成为产品小型化的瓶颈。当比较簧片开关和灵敏度范围相同的新型AMR传感器时,簧片开关明显大于SOT-23封装,尺寸为2.9 mm × 2.8 mm × 1.45 mm。AMR传感器相对较小的尺寸将允许设计继续小型化的趋势,降低成本,并增加新的应用机会。

随着传感器制造商继续推进MR传感器技术,设计师将在他们的军火库中有更多的传感器技术用于电池操作设备。由于没有移动部件,这些AMR固态设备本质上更可靠和耐用;它们比簧片开关更小,在相同的灵敏度范围内可用。这使得设计人员能够开发出更小、更可靠、更高质量的设备和设备,而传感器组件几乎不需要任何电源。