《电子技术应用》

磁性传感器IC(磁性开关)

摘要: 磁性传感器能够检测出磁场的强度(大小)和方向。近年来,磁性传感器IC已取代了机械开关被广泛应用。特别是手机和电脑的开闭检测,白色家电的开闭检测,定位检测中,使用频率就很高。

Abstract:

  前言

  磁性传感器能够检测出磁场的强度(大小)和方向。近年来,磁性传感器IC已取代了机械开关被广泛应用。特别是手机和电脑的开闭检测,白色家电的开闭检测,定位检测中,使用频率就很高。

  村田制作所制造的磁性开关传感器IC(AS系列)是将AMR *1单体和驱动电路一体化的一种磁性传感器。本文将以此产品为例,详述磁性传感器的特性,特征和使用方法等。

(*1)AMR (Anisotropic- Magneto- Resistance)

  各向异性磁阻效应。各向异性是指具有方向性,在这里是指可以检测出任意方向的磁力。

  AMR单体是用镍和铁等制成的强磁性金属合金。一般采用硅(Si)制成,当遇到施加的电流方向垂直的磁场时,阻抗值发生变化。这个现象就称为磁阻效应,特性如图1所示。它以0(零)H为轴,正负两侧对称的特性,因此是不区别磁铁的N极和S极的两极检测。

  图1:AMR单体的特性

AS系列特性

  图2为AS系列的外观形状。除了业界标准的SOT23(2.9×2.8×1.2mm),SON4(2.0×2.1×0.6mm)之外,加上超小型的XSON (1.2×1.2×0.4mm),共3种规格,可根据实际空间组合选择。表1是AS系列的代表产品AS-M15TA-R的规格一览表,其中最重要的是工作磁场。工作磁场是指输出信号改变的磁场,为了防止跳跃现象(“高”和“低”在阈值附近反复出现的现象),具有磁滞区间,如图3所示。除了标准特性外,还具有灵敏度可变,工作电压的扩大可变等特性。详细的规格标准就不在此详述。图4是为了减少消耗电流进行的抽样测定的说明简图。

  图2:AS系列外形

  表1 AS-M15型的规格一览表(品名共通,Ta=25℃、 Vdd=1.8V)

  项目

  标记

  条件

  下限

  典型值

  上限

  单位

  工作电压

  Vdd

  

  1.6

  1.8

  3.5

  V

  电源电压极限值

  Vmax

  

  VSS-0.3

  -

  VSS+6.0

  V

  消耗电流

  Iave

  平均电流

  

  1.6

  3.0

  μA

  工作磁场

  Mop

  H→L

  (1.0)

  1.5

  2.2

  mT

  Mrp

  L→H

  0.8

  1.2

  (1.9)

  mT

  高电平输出电压

  V0H

  -

  0.9 Vdd

  -

  -

  V

  低电平输出电压

  V0L

  -

  -

  -

  0.1 Vdd

  V

  工作温度

  -

  -

  -40

  

  +85

  

  存贮温度

  -

  -

  -50

  

  +125

  

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图3:电磁变换特性

  图4:AS系列的示意图

检测和控制“不接触”“无接点”

  AS系列能够通过磁铁和传感器之间的距离改变来检测出磁通密度的变化,控制传感器输出信号的开关 (高(H)低(L)),如图5所示。当磁铁接近传感器,使磁场的强度变大,则传感器的输出就会由“高”变“低”,反之则由“低”变“高”。

  图5:AS系列的工作

  此传感器的特点是能够 “不接触”和“无接点”地进行检测和控制。与原先同样用途的机械开关相比,无接点的特点不仅延长了使用寿命,还能够防止异物引起的异常运作。同时,由于磁力能够穿透非磁性材料的特征,无论是耐尘、耐水,或是其它复杂的设计、构造等要求也可以应对自如。并且,AS系列3种封装规格都拥有相同的特性,不需要变更周围电路就能对应设备的薄型、小型化设计。另一方面,由于灵敏度比以前的磁性传感器更高,它的检测范围更宽广,配置传感器时也更加自由。甚至可以为磁铁的小型化做贡献。

各种使用方法和设计

  通过让传感器靠近和远离磁铁来控制电路的方法,较为普遍的就是使用在盖或门的开关部分,比较容易想象。若在磁铁上安装齿轮或羽毛,还能够作为液体或气体的流量计使用(如图6)。另外还可以用来检测可脱卸的零件在使用时的安装位置是否正确。

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  图6:AS系列的旋转检测用途的使用案例

  在电气设计上,需要考虑传感器的特性,使用的磁铁特性,以 及和传感器的位置关系。图7是模拟将铁氧体磁铁(5×4×6mm)沿Z轴(远离传感器)方向移动时的情况。从传感器的磁滞开始,9.4mm以下输出信号一定是“低”(靠近磁铁,盖闭合);14mm以上输出信号一定为“高”(远离磁铁,盖打开)。实际设计的时候,还需要考虑到传感器特性的偏差、温度特性,磁铁的温度特性,生产时以及时间长了之后传感器的位置偏移。

 

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  图7:铁氧体磁铁的模拟例子

今后的展望

        “不接触检测”“无接点工作”的运用不仅仅停留在现在的手机和笔记本电脑等,更期望将来在各种领域中使用。为了能满足各种用途的灵敏度调整和输出方法等的要求,当务之急就是考虑相对应的变化。同时还将充实磁场分析、模拟对应等设计支持服务。
 
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