霍尔效应面内开关：如何实现高灵敏度与低成本设计

在当今电子技术飞速发展的时代，众多具有智能磁性位置传感器的器件，如门窗传感器、电子智能锁、笔记本电脑、耳塞、平板电脑、智能手机以及水表和燃气表等，都对更小、更节能的开关有着迫切需求。磁性开关常常需要检测与印刷电路板 (PCB) 平行或水平的磁场，这种检测方向被称为面内检测。

目前市场上，最常用的面内磁性开关主要有各向异性磁阻 (AMR)、隧道磁阻 (TMR) 和簧片开关。AMR 和 TMR 依据磁场的角度和幅度来更改电阻率，从而实现其功能。而簧片开关则由两块封装在玻璃管中的铁磁金属构成，当有足够强的磁场在它们之间引导时，这两块金属会相互接触。

然而，尽管 AMR、TMR 和簧片开关是现有的解决方案，但它们都存在一定缺点。簧片开关由于封闭在玻璃管或其他密封外壳中，其封装体积较大且成本高昂，并且放置在磁体旁边时容易受到扭矩影响（请参阅图 1）。此外，该外壳在 10 万到 100 万个开关周期之间就可能断开，耐用性和可靠性较差，同时也无法高精度地检测磁场。在使用簧片开关进行设计时，还会出现去抖问题，即两个簧片彼此接触后分离产生弹性碰撞，这会延长信号的稳定时间，若不加以处理，可能会影响传输完整性。

图1:簧片开关的仿真响应，显示了两片簧片尖端之间的集中磁通密度

AMR 和 TMR 传感器的金属层堆叠十分复杂，制造成本居高不下。形成这些金属层需要使用不易获取且可能导致供应限制的专用沉积设备，并且这些层还必须进行磁化处理。

随着技术的发展，霍尔效应技术凭借其与常见开关类型相似的灵敏度和功耗，同时具备可扩展性且更加经济的优势，需求不断增长。霍尔效应开关依据磁场幅度监测电压变化来工作。TI 的 TMAG5134 面内霍尔效应开关（图 2）具有一个集成式磁集中器，其中包含两个位于感应元件上方的金属板。该集中器能够将磁场集中于传感元件上，放大磁场，从而可以检测到弱至 1mT 的磁场，支持使用小型磁体，显著降低了系统级成本。

图2:TMAG5134 霍尔效应开关的面内位置设计

与标准霍尔效应传感器相比，集成式磁集中器可降低功耗，因为它能放大信号，无需以尽可能大的电流对传感器进行偏置，TMAG5134 的功耗可低至 0.6µA。

此外，TMAG5134 的面内感应方向可在系统设计中提供更大的灵活性。若检测与 PCB 平行或水平的磁场，虽然通过在晶体管外壳 (TO)-92 封装中使用霍尔效应开关可以解决问题，但会占用更多布板空间。而且，由于 TMAG5134 是霍尔效应开关，与机械开关相比，它可无接触地感应磁场，减少了磨损，提高了可靠性和弹性。

TI 还提供了一款名为德州仪器 (TI) 磁感应仿真器 (TIMSS) 的磁仿真工具，设计工程师可以根据传感器磁体放置来仿真磁场和传感器输出。TIMSS 可减少系统和完整产品设计修订版本，并支持使用不同系统容差进行快速实验。工程师可以选择 TIMSS 中的 TMAG5134，并获得系统中磁场和器件输出的 3D 可视化效果。

在选择合适的技术时，设计工程师通常需要综合考虑成本、功率和运行阈值等因素（请参阅表 1）。

表1.TMAG5134 霍尔效应开关与其他面内感应技术的比较

TMAG5134 等面内霍尔效应开关的应用包括以下示例：

1.用在包括门窗传感器和电子智能锁在内的智能家居系统中：

●检测用户是否打开或关闭门窗。

●监控门栓位置以确定门当前的状态。

●更长的电池寿命。

2.用在笔记本电脑、平板电脑和耳塞等消费类电子产品中：

●检测用户是否打开或关闭笔记本电脑盖或平板电脑盖板，或者检测用户是否将笔记本电脑折叠了 360 度。在笔记本电脑和平板电脑中，屏幕根据其打开和关闭状态亮起或熄灭。

●确定用户是否打开或关闭耳塞充电盒盖，或者是否在耳塞盒中插入或取出耳塞。任一操作都会确定耳塞的充电状态。

3.用在能源基础设施中：

●检测水表和燃气表中磁体的滑动情况，以使电表进入诊断模式。

●检测仪表上外部磁体的放置情况是否会干扰仪表测量。

TMAG5134 等面内霍尔效应开关正在塑造磁位置检测的未来。未来，这类器件非常适合增强型或虚拟现实耳麦和智能眼镜等产品。TMAG5134 凭借其良好的性能和低成本，成为面内霍尔效应开关极具吸引力的选择。