超低功耗TMR磁阻开关传感器的典型应用 - 磁传感器 - 传感器知识库
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超低功耗TMR磁阻开关传感器的典型应用

发布日期:2018年08月17日    浏览次数:641

在固态磁阻传感器发展之前,磁力动作的磁簧开关已经广泛应用了数十年之久,为位置传感提供了久经考验且价格便宜的解决方案。随着霍尔效应技术的发展,霍尔效应传感器开始在一些电池供电的应用中取代磁簧开关,如手机、笔记本、消费电子和白色家电。

 

尽管霍尔效应传感器已经成功用于一些低功耗应用领域,但目前在许多应用中它还不能取代磁簧开关,因为它们无法满足应用领域对传感器高灵敏度和超低功耗的要求。

 

对于寻找磁簧开关替代方案以减小开关尺寸、提高开关质量和耐用性、并最大限度延长电池寿命的设计工程师来说,新型隧道磁阻技术能够为他们提供微安级(uA)的开关功耗,同时还具有高灵敏度的特性,且性价比优于磁簧开关。


一、干簧管

 

干簧管(ReedSwitch)也称舌簧管或磁簧开关,是一种磁敏的特殊开关,1936年由贝尔电话实验室的沃尔特.埃尔伍德(Walter B. Ellwood)发明,他本人已于1940年在美国申请了专利。此后的几十年时间里,干簧管被工业界广泛应用,逐渐成为一种高性价比的磁力位置开关传感器。

 

干簧管通常有两个软磁性材料做成的、无磁时断开的金属簧片触点(有的还有第三个作为常闭触点的簧片),这些簧片触点被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)或真空的玻璃管里,玻璃管内平行封装的簧片端部重叠,并留有一定间隙或相互接触以构成开关的?虺1沾サ。

 

由于金属簧片触点被密封在玻璃管内,所以不受外界环境的影响,工作非常稳定;惰性贵金属触点的熔点高,能减少电弧放电对触点表面的损耗,所以能维持较长时间的工作寿命;利用永久磁铁能容易地控制簧片开关,是一种高性能低价格的理想电子零部件。

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干簧管几个重要的基本特性参数为:

-吸合值(Pull-in Value,简称PI值,单位是AT):这是是干簧管最重要的工作特性,它是线圈工作所必需的工作电流与线圈圈数的乘积,它表示干簧管的灵敏度,PI值越低意味著干簧管的灵敏度越高。

-开断值(Drop-out Value,简称DO值):它是当触点释放时流过线圈的电流与线圈圈数的乘积,DO值是和PI值相关联的重要参数。

-工作寿命:要保证连续工作达到一定的次数。

-触点耐压(Breakdown Voltage,单位是V):为保持正常工作,触点间能够承受最大开关电压,或者对线路中的瞬间过载电压所能承受的值。

-接触阻抗(Contact Resistance,单位是mΩ):触点在闭合时两端子间的阻抗,包括导线部分的电阻。

-绝缘阻抗(Insulation Resistance,单位是mΩ):两端子间的绝缘阻抗,是对玻璃管以及玻璃管表面漏电流的阻抗。


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二、TMR磁开关传感器

 

TMR磁开关传感器是一种高灵敏度、高频响、超低功耗和高精度的磁触发数字开关,集成了采用高精度推挽式半桥TMR磁传感器和CMOS集成电路,能将变化的磁场信号转化为数字电压信号输出。

 

TMR开关传感器通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源,并允许宽的工作电压范围。TMR开关传感器以低电压工作、极高响应频率、微安级的供电电流、宽的工作温度范围和高ESD耐压成为众多开关类应用的理想选择。


TMR磁开关传感器的典型优势:

-是一种固态开关,没有可移动的部件

-多维科技的TMR磁开关包括单极、推挽式双极锁存以及全极输出三种类型

-高灵敏度:灵敏度最高可达到2Gs,允许使用更小的磁铁或者更大的工作间隙,便于安装

-超低功耗:连续供电工作状态下,功耗低至1.5uA@3V

-宽工作电压范围:1.8~5.5V

-优秀的温度特性:工作温度范围宽,-40-150℃

-高频率响应:最高可达5kHz 

-抗强磁干扰:3000Gs

-小型封装:SOT23-3、TO92、LGA


随着技术的日益进步,磁阻技术得到了很好的商业化发展,干簧管已经不再是磁力开关的唯一选择。对于寻找干簧管替代方案以增加开关灵敏度、减小开关尺寸、提高开关质量和耐用性、并最大限度延长电池寿命的设计工程师来说,新型隧道磁阻(TMR)技术能够为他们提供微安级(uA)的开关功耗,同时还具有高灵敏度的特性,具有更高的性价比。


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TMR磁开关传感器与干簧管比较

序号

性能对比

TMR磁开关传感器

玻璃封装干簧管

1

使用寿命

无机械触点,非接触式使用

机械触点,易磁化,使用寿命短

2

传感器制造长度

最长可以做到20m

只能做到5m左右

3

传感器盘绕

盘绕直径30cm

不能盘绕

4

波纹管封装

可以波纹管封装20m长,传感器随波纹管弯曲、盘绕

不能弯曲、盘绕

5

传感器焊接方式

自动化回流焊,焊接设备和工艺保证了产品可靠性和一致性

手工焊,故障率高

6

传感器管脚成型

表面贴装磁传感器,焊接前不需要管脚成型

人工管脚成型玻璃干簧管易碎

7

运输和搬移

成品运输和搬移安装过程中物理碰撞和振动不会造成传感器损坏

跌落、巨力震动等容易造成玻璃干簧管破碎

8

传感器磁化

TMR磁传感器,永远不会被磁化

会被磁化造成干簧管舌簧分离不开使传感器失效


三、TMR磁开关传感器的典型应用


1、流量计中的瞬时流量检测、大流量报警、逆流检测等

 

智能水表一般由电池供电,国家标准要求要智能水表的使用年限为六年,智能水表制造商们的内部标准为6+1年,这就对智能水表传感器的功耗提出了苛刻的要求。由于受传感器的功耗、寿命、响应频率的限制,数字化水表的常用方案是通过齿轮的变速,把传感器安装在10升流量位置,检测10升指针的旋转次数进行累计,这样的设计只能测量一段时间内的累计流量,而不能测量瞬时流量。目前在智能水表中普遍使用的干簧管,由于其体积大,不宜安装,影响了表的小型化,智能化;同时由于水锤效应,会发生抖动现象,影响了计量精度。

 

多维科技磁阻传感器采用TMR磁隧道结技术,灵敏度高、响应频率高、功耗低,非常适合于水表、机械式热量表等电池供电场合应用。

 

由于TMR磁传感器的固有特点,非常适合智能水表应用。响应频率高,达到1kHz以上,可直接测量叶轮的转速,得到水表的瞬时流量,可以实时监控用水情况。采用两个TMR传感器,根据四种不同状态信号,可以获得叶轮的旋转速度和旋转方向。通过测量叶轮的转速,多维科技TMR传感器可以实现:瞬时流量检测、漏水及大流量报警、逆流检测等功能。

 

电子水表

主要产品:(1)TMR1202双极锁存型开关传感器;(2)TMR1302全极型开关传感器

应用要求:(1)直接检测叶轮转速;(2)高频响,低功耗,温度稳定性高

性能优势:(1)高频响特性,保证计量准确,不丢失数据;(2)紧凑的开关点分布,保证输出方波的占空比稳定,可提高计量精度;(3)较高的灵敏度,保证长时间的计量可靠性;(4)良好的温度特性(功耗和开关点随温度和电压的变化。┍Vは低车氖褂檬倜图屏靠煽啃

 

智能水表

主要产品:TMR1302全极型开关传感器

应用要求:(1)检测指针转速;(2)低功耗,连续工作,可靠性好

性能优势:(1)连续工作,1.5uA低功耗特性,保证计量准确,不丢失数据;(2)紧凑的开关点分布,保证输出方波的占空比稳定,可提高计量精度;(3)较高的灵敏度,保证长时间的计量可靠性;(4)良好的温度特性(功耗和开关点随温度和电压的变化。┍Vは低车氖褂檬倜图屏靠煽啃裕唬5)标准的高低电平,直接接入后端处理器

 

直读式水表

主要产品:TMR3002角度传感器

应用要求:直接检测字轮位置

性能优势:(1)可配湿式水表,满足起始流量和成本要求;(2)读数字轮360°全圆周测量,测量分辨率取决于模数转换的实际精度,读数准确率100%,不存在临界状态和模糊状态;(3)电子元器件的大幅度减少,大大降低了产品因器件故障引起风险;(4)克服了光电直读方案光通路穿过水表液封介质中气泡时,光的反射与折射引起读数误码。

 

2、液位计

液位计是汽车、油气、田油、水处理站及石油化工装置自动化控制系统的重要组成部分。以汽车行业为例,目前汽车液位传感器行业主要采用干簧管技术,但干簧管件与件之间的开关性能差异较大,而且还需要剪切、弯折引脚,其成本相对较高。另外,干簧管切换时间较长,且玻璃管还很容易破裂。TMR磁开关传感器的诸多优势,解决了干簧管在汽车应用上的弊端。

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干簧管液位计和TMR液位计比较


性能比较

TMR液位计

干簧管液位计

输入电压范围

5±0.5Vdc

系统电压

输出信号类型

电压

电阻输出或电压输出

功耗

3uA

零功耗

电平切换时间

成本


多维科技TMR磁开关传感器产品发布历程


2012年1月17日,多维科技世界上第一款低功耗TMR磁开关传感器,用于电池供电的智能流量计,包括水表、热量表和气体流量计。

 

2013年5月14日,多维科技专门推出为电池供电的磁开关应用系统而设计的超低功耗(1.5uA@3V)、高频响(1kHz)、以及优异的温度稳定性的超低功耗TMR磁开关传感器。

 

2015年6月9日,多维科技推出超高灵敏度的TMR1309磁开关传感器。这两款新产品具备超高灵敏度,开关点仅为2Gauss(0.2mT),同时兼备高速工作状态下1.5微安的超低功耗,以及卓越的温度稳定性,适用于电池供电,同时对精密测量、性能一致性、温度稳定性有严格要求的高端传感器应用。典型应用包括无线门禁,以及智能药丸和便携式药物递送装置等智能医药器具。

 

2016年1月26日,多维科技专门为高性能工业类传感器应用推出小回差、超小尺寸、超低功耗和具有卓越的温度稳定性的TMR1340 / TMR1341 / TMR1343 / TMR1345 系列磁开关传感器。

 

2016年12月5日,多维科技推出了一款智能型的磁性位置检测传感器TMR1401,对于移动部件中不同磁场强度的磁体,以及不同的检测距离,均能实现磁体(移动部件)的准确定位。


2017年12月21日,多维科技推出带无源磁记忆功能的超低功耗双极锁存开关传感器TMR1212,它是包括双稳开关、固态开关、速度检测、线性及旋转位置检测等众多工业类应用的理想选择。


2018年8月8日,多维科技推出200nA超低功耗TMR磁开关传感器TMR1162/TMR1262/TMR1362,其主要特点包括,200nA超低功耗,50Hz频率响应,-40~125℃的工作温度范围,良好的抗外磁场干扰特性,SOT-23或TO-92或LGA封装。TMR1162/TMR1262/TMR1362磁开关的最佳用途包括智能流量计、接近开关、无线门禁、智能药丸和便携式智能医药器具等靠电池供电的磁传感器应用。与市场上其他纳安级磁传感器产品相比,TMR1162/TMR1262/TMR1362磁开关具有更低的功耗、更高的频响、更宽的工作温度范围和优秀的抗外磁干扰能力。


目前,多维科技已经为工业界提供了一个不断完善的磁开关产品系列。


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