黃 正 編譯

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

當(dāng)談及諸如水表和氣表之類的小功率計(jì)量應(yīng)用時(shí)，工程師們認(rèn)為，具有現(xiàn)代工藝水平的解決方案是處理位置傳感難題最好的方法。他們選擇最新和最好的技術(shù)時(shí)，因?yàn)槠潇`敏度、耐久性和可靠性，可以選擇固態(tài)磁阻(MR)或霍爾效應(yīng)傳感器。雖然這些創(chuàng)新性技術(shù)具有某些優(yōu)點(diǎn)，但它們與成熟的舌簧開關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)相比就顯得蒼白失色。幾十年來，舌簧開關(guān)一直在用于小功率、電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，且理由充足。

本文探討了這一技術(shù)的五個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，包括其操作功率小、使用功率公差緊、磁靈敏度開關(guān)點(diǎn)精確及內(nèi)在的開關(guān)點(diǎn)滯后作用。此外，舌簧開關(guān)允許簡(jiǎn)單定制靈敏度及其它特定應(yīng)用的要求。全球范圍對(duì)舌簧開關(guān)技術(shù)的需求增加及其在多種不同場(chǎng)合中的應(yīng)用確認(rèn)了該技術(shù)在傳感和控制器市場(chǎng)的關(guān)鍵地位。

2 小功率計(jì)量應(yīng)用的要求

氣表和水表適合自動(dòng)儀表讀取(AMR)設(shè)備，要求傳感器使用極小的功率。水和氣的使用經(jīng)常通過附加到旋轉(zhuǎn)軸上的磁鐵來測(cè)量。每一次旋轉(zhuǎn)都轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并通過嵌入式控制器來累計(jì)。

在這些設(shè)備中，小功耗是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。并且，這些儀表的預(yù)計(jì)壽命一般是20年無需更換電池。因此，保存電池功率是延長(zhǎng)電源可用壽命的關(guān)鍵。

3 固態(tài)傳感技術(shù)

正如所提及的，某些設(shè)計(jì)工程師選擇固態(tài)傳感技術(shù)，包括MR和霍爾效應(yīng)傳感器，用于小功率計(jì)量場(chǎng)合。MR傳感器是單片集成電路器件，具有內(nèi)置的阻性元件與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路相配對(duì)。當(dāng)暴露于磁場(chǎng)時(shí)，MR器件的電阻相對(duì)磁場(chǎng)的方向改變。電阻的這一改變可用來檢測(cè)外加磁場(chǎng)的變化。MR傳感器可以用作非接觸開關(guān)，電流消耗極低，靈敏度和可靠性都很高。然而，典型的MR傳感器連續(xù)地汲取少量的電流。

霍爾效應(yīng)傳感器是基于半導(dǎo)體的傳感器，它改變輸出電壓以響應(yīng)磁場(chǎng)的變化。像MR傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器連續(xù)提取少量的電流。MR和霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)許多小功率、電池驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用并不理想，因?yàn)樗鼈儾⒉粷M足對(duì)精度和功率的嚴(yán)格要求。

4 舌簧開關(guān)技術(shù)

雖然舌簧開關(guān)被認(rèn)為是成熟的技術(shù)，但因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能可靠，舌簧開關(guān)仍然是小功率場(chǎng)合的流行選擇。舌簧開關(guān)是一種由外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電氣開關(guān)。該開關(guān)由兩個(gè)或三個(gè)稱之為舌簧的薄金屬片組成，在以一個(gè)小距離分開的尖端上有電鍍的觸點(diǎn)。

舌簧一般封閉在填滿惰性氣體的密封玻璃管中。來自磁鐵或電磁鐵的磁場(chǎng)使舌簧偏轉(zhuǎn)，接通或分?jǐn)嚅_關(guān)觸點(diǎn)。圖1示出了各種不同的舌簧開關(guān)元件。圖2示出了舌簧開關(guān)在水表或氣表在流量檢測(cè)部分中的位置。

圖1 舌簧開關(guān)元件

圖2 舌簧開關(guān)用作水表或氣表的測(cè)量?jī)x器

4 舌簧開關(guān)技術(shù)的五個(gè)優(yōu)點(diǎn)

4.1 工作功率小

舌簧開關(guān)所要求的功率較MR和霍爾效應(yīng)傳感器要低很多。這些微功率傳感技術(shù)通過使用低負(fù)載循環(huán)數(shù)的主動(dòng)傳感達(dá)到小功率，主動(dòng)傳感要求提取恒定的電流以運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部振蕩器。

對(duì)比之下，舌簧開關(guān)是不需要任何功率就工作的無源元件。一個(gè)低功率舌簧開關(guān)結(jié)構(gòu)涉及使用兩個(gè)舌簧開關(guān)與場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)相組合，見圖3所示。當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以設(shè)計(jì)舌簧開關(guān)以真正的零功率感應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 兩個(gè)舌簧開關(guān)與FET組合使用

圖3 中，M=磁鐵;SW1和SW2=舌簧開關(guān)。當(dāng)SW1閉合時(shí)，SW2打開。Q1關(guān)斷以阻止功耗。當(dāng)SW2閉合時(shí)，微控制器醒來，將Q2關(guān)斷，Q1接通，使之回到睡眠。當(dāng)SW1閉合時(shí)，出現(xiàn)類似序列的事件。

作為選擇，已經(jīng)在系統(tǒng)中的微控制器可以10Hz的速率輪詢舌簧開關(guān)觸點(diǎn)，平均電流提取在大約10μs/100ms×10μA=1nA。

舌簧開關(guān)提供較任何其它相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)能夠帶來低很多的功耗，通過減小電池尺寸要求明顯減小了成本。在功率敏感的場(chǎng)合，舌簧開關(guān)是最大化功率效率的最好解決方案。

圖4 用輪詢法獲得超低功率

4.2 嚴(yán)格的功率使用容差

固態(tài)器件有典型工作電流和最大工作電流。良好的設(shè)計(jì)慣例考慮最壞情況值。如果它們要求從電池提取更多的電流并減小產(chǎn)品的壽命，更大的固態(tài)感應(yīng)器件最大電流可能會(huì)出問題。

對(duì)比之下，舌簧開關(guān)的電流提取是由電阻器和電源軌設(shè)定的。對(duì)工作電流，舌簧開關(guān)的典型電源和電阻器公差較固態(tài)器件規(guī)范要嚴(yán)得多。

例如，微功率霍爾效應(yīng)傳感器可能具有的典型平均工作電流為5μA，但最壞平均工作電流為10μA。納功率 MR傳感器可能具有 310nA(0.31μA)的典型平均工作電流，但最壞情況下的平均工作電流為6350 nA(6.35μA)。

相比之下，連續(xù)操作的舌簧開關(guān)電路，一半時(shí)間是閉合的，采用1MΩ上拉電阻器和3V電源，將具有典型平均工作電流1.5μA。它也將具有1.66μA的最壞情況下平均工作電流。這樣假定電源和電阻器的公差為5%。在這個(gè)例子當(dāng)中，甚至在使用像在上面所描述技術(shù)一樣的節(jié)約功率的技術(shù)之前，舌簧開關(guān)具有最低的最壞情況功耗。

4.3 精密的磁靈敏度開關(guān)點(diǎn)

舌簧開關(guān)的一個(gè)重要特性之一是它的靈敏度或?yàn)轵?qū)動(dòng)它所需磁場(chǎng)的大小。舌簧開關(guān)靈敏度的測(cè)量采用安－匝(AT)為單位，相應(yīng)于匝數(shù)乘以線圈電流。

典型的上拉(吸合)靈敏度范圍在8～40 AT。雖然舌簧開關(guān)的磁靈敏度規(guī)定以AT為單位，但近似的關(guān)系指出1AT=1高斯，等于0.1毫特斯拉(mT)。

舌簧開關(guān)的磁靈敏度開關(guān)點(diǎn)較固態(tài)數(shù)字開關(guān)更加精確。當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)在所有工作條件下運(yùn)行時(shí)，高精度特別重要。例如，可以規(guī)定舌簧開關(guān)靈敏度在18～22 AT。這具有相對(duì)靈敏度范圍(22～18)/20=20%或±10%。

相比之下，微功率霍爾效應(yīng)傳感器可具有的靈敏度范圍在25～55高斯(2.5～5.5 mT)，作為結(jié)果的相對(duì)靈敏度范圍為75% 或±37%。納功率MR傳感器可具有的靈敏度范圍在6～20高斯(0.6～2.0 mT)，作為結(jié)果的相對(duì)靈敏度范圍為108%或±54%。

4.4 定制簡(jiǎn)單

普通固態(tài)微型和毫微型磁開關(guān)制作為放之四海而皆準(zhǔn)的(完全通用的)。這些開關(guān)通常提供一個(gè)、二個(gè)甚至三個(gè)寬(不精確的)靈敏度范圍。如果該靈敏度或更新速率沒有滿足應(yīng)用的要求，那么很難得到提供更加嚴(yán)密的靈敏度范圍的定制解決方案。

相比之下，舌簧開關(guān)具有廣泛可用的定制靈敏度范圍，可以按特定應(yīng)用的要求定制。例如，一項(xiàng)應(yīng)用可能需要8～11AT的靈敏度范圍，而另一項(xiàng)應(yīng)用可能需要25～30AT。這個(gè)通用性水平在固態(tài)磁傳感器件中是達(dá)不到的。

加之，還提供舌簧開關(guān)的定制如機(jī)械封裝和端接選擇，以方便這些傳感器適應(yīng)多種廣泛的應(yīng)用。舌簧開關(guān)觸點(diǎn)選擇包括常開、常閉和單極雙擲(SPDT)。

微型和毫微型功率固態(tài)開關(guān)不可連續(xù)工作。在開關(guān)睡眠時(shí)間，不會(huì)感應(yīng)磁場(chǎng)，輸出也沒有更新。如果睡眠時(shí)間為100 ms，那么輸出每秒更新10次。如果被感應(yīng)的該磁鐵移動(dòng)太快，那么該傳感器的輸出將無法趕上，從而導(dǎo)致傳感錯(cuò)誤。舌簧開關(guān)不會(huì)睡眠，因此它們可以用于每秒幾百次的速度。

4.5 固有的開關(guān)點(diǎn)磁滯作用

相對(duì)于傳感器技術(shù)，磁滯作用規(guī)定為在器件的吸合(輸出“接通”)點(diǎn)和釋放(輸出“斷開”)點(diǎn)之間磁場(chǎng)水平的差。某些大小的磁滯作用在測(cè)量應(yīng)用中非常重要，在此被感知的運(yùn)動(dòng)可以在旋轉(zhuǎn)循環(huán)的任意點(diǎn)上停止。如果沒有磁滯作用，在磁場(chǎng)中極小的變化可能造成輸出中未曾料到的變化以及測(cè)量誤差。

小的磁場(chǎng)變化可能是由于附近的電流，亦即電力線、電機(jī)等造成的，或者是由于地磁場(chǎng)中金屬運(yùn)動(dòng)造成的。地磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.25 ～0.65 高斯(0.025 ～0.065 mT)。這些不受控磁場(chǎng)限制了健壯設(shè)計(jì)所要求的最小磁滯作用和傳感器的有用靈敏度。高的磁靈敏度可用于電子羅盤，但不用于接近傳感器。

最小磁滯作用是設(shè)計(jì)健壯測(cè)量應(yīng)用中的重要考慮。在固態(tài)磁傳感器中，必須把磁滯作用加在傳感元件利用電路上，這意味著它將被固定并且難以控制。相比之下，由于其磁發(fā)電機(jī)－機(jī)械設(shè)計(jì)，舌簧開關(guān)具有內(nèi)在的磁滯作用，因此向計(jì)量應(yīng)用遞送增強(qiáng)的可靠性。

5 舌簧開關(guān)在傳感和控制器市場(chǎng)中的地位

舌簧開關(guān)是成熟的技術(shù)，具有很長(zhǎng)的記錄歷史。它們氣密密封的觸點(diǎn)對(duì)它們?cè)谠S多電子應(yīng)用中的使用貢獻(xiàn)極大。它們提供可靠的數(shù)據(jù)而無需物理接觸，甚至在不利的含有塵土、振動(dòng)、濕氣、煤氣和油的環(huán)境中。它們成熟的耐久性和可靠性已經(jīng)使得它們成為幾個(gè)苛求場(chǎng)合的流行選擇，其中包括汽車安全產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、安全、效用計(jì)量、消費(fèi)電子產(chǎn)品和白色家電/電器。

舌簧開關(guān)還提供擴(kuò)展的產(chǎn)品壽命循環(huán)。因?yàn)樯嗷砷_關(guān)只有彎曲的內(nèi)部元件，電完全抑制在舌簧和引線上，它并沒有與機(jī)械磨損相關(guān)的失效模式。對(duì)于某些電負(fù)載，工作壽命超過50年，切換循環(huán)達(dá)10億次。對(duì)舌簧開關(guān)技術(shù)的全球需求已繼續(xù)增加到超過每年10億只。為了響應(yīng)這一需求，制造商們正在對(duì)舌簧開關(guān)做出產(chǎn)品改進(jìn)以繼續(xù)滿足市場(chǎng)的變化需求。

6 結(jié)論

當(dāng)設(shè)計(jì)小功率計(jì)量應(yīng)用時(shí)，舌簧開關(guān)技術(shù)較固態(tài)傳感技術(shù)提供了眾多的好處。其工作的功率小、使用功率允差緊、磁靈敏度開關(guān)點(diǎn)精確、內(nèi)在的開關(guān)點(diǎn)磁滯作用及定制簡(jiǎn)單，使得它是一個(gè)靈活的、可靠的技術(shù)。

它的氣密密封的觸點(diǎn)和延長(zhǎng)的工作壽命，使得它成為眾多應(yīng)用的有魅力的選擇，其中包括那些具有危險(xiǎn)情況的應(yīng)用。隨著幾十年成熟的表現(xiàn)，舌簧開關(guān)的應(yīng)用和需求將繼續(xù)增長(zhǎng)并隨著電子技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展而擴(kuò)大。