关于TMR磁阻开关传感器的性能分析和应用介绍

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常开或常闭触点。

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。

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。

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。

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	多维科技磁传感器，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小）保证系统的使用寿命和计量可靠性

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小）保证系统的使用寿命和计量可靠性；（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。

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	短	长
成本	低	高