Posted By Liang Bird on 8 月 28, 2019 in Maker電子學, 教學文 | 1 comment

在一些 maker 的專案中，常常會需要用到一些「非接觸式的機構感測」，比如說要感應某個裝置接近一個特定的位置；在這種情況下，「磁性元件」是很好的選擇，我們可以在被感應的機構上安裝磁鐵，再利用磁性感測器去偵測磁鐵的接近或通過，來達成這樣的設計。

磁性感測器的始祖

最古老的磁性感測器大概就屬「磁簧開關」了，磁簧開關是一個用磁鐵吸了就會導通的開關，它常見的包裝是封在填充氮氣或其它惰性氣體的透明玻璃管中。

磁簧開關的常見包裝（圖片來源：Bird 提供）

磁簧開關的原理很簡單，它裡面有兩個金屬電極，兩者都是用鐵磁性材料做成的。所謂鐵磁性材料 （ferromagnetism，又稱強磁性材料），就是磁鐵可以吸得動的物質，常見的如鐵、鎳等金屬，它們在磁場下會被磁化而表現出像磁鐵的行爲。

當有磁鐵靠近磁簧開關時，這兩個電極會因爲強磁性被磁化，而互相吸引後接觸，讓開關導通。當磁鐵離開之後，它們又會恢復成非磁性的狀態，靠著原來電極的彈性分開。

很多人以爲磁簧開關裡面的電極彈片和繼電器一樣，一片會動，一片不會動，要用特定的磁場方向去吸會動的那一片才能讓它接近另外一片而導通，但事實上就如前面所說的，兩個電極都是可以動的，而且只要在磁場的影響下，兩個電極都會被磁化而互相吸引而接觸。

這樣的設計讓磁簧開關沒有方向性，只要有足夠的磁場強度，就能讓它導通。

一般的磁簧開關導通需要的磁場強度大概是數十個高斯左右。高斯（Gauss）是常用的磁場強度或磁通量的單位，通常用在較小的磁場，它的另一個好朋友單位是特斯拉（Tesla），兩個單位之間的關係是：

1 Tesla = 10,000 Gauss

1 Gauss = 0.0001 Tesla = 0.1 mT

數十個高斯大概是什麼樣的概念呢？一般我們用來吸在冰箱上的那種黑色磁鐵，通常是「鐵氧體磁鐵」，在磁鐵表面附近的磁通量大概可以到數百個高斯左右，而另一種常見表面具有金屬光澤的強力磁鐵，通常是表面電鍍鎳的「釹鐵硼磁鐵」，其表面的磁通量可以高達數萬高斯，因此用一般的磁鐵就可以輕易地讓磁簧開關導通。

至於地磁，也就是讓指南針可以運作的地球磁場，在地表的磁通量密度大約是 0.3 到 0.5 個高斯左右，它勉強可以讓指南針裡的指針偏擺（但指針要非常輕而且也不能有太大的阻力），也可以讓手機裡的地磁 sensor 感應到一些可以用的訊號。

磁簧開關是一種簡單、可靠的磁性感應元件，但由於它的作用原理是機械式的，有幾個先天的限制：「速度、壽命、和機械強度」。

機械式的接觸動作需要時間來完成，一般磁簧開關的反應時間多半在零點幾個 ms 左右，絕少有能在 0.1 ms 以內完成接觸的磁簧開關，因此磁簧開關並不適合用在需要偵測快速變化的磁場、快速開關的應用；機械接點本身也有壽命的限制，一般的磁簧開關壽命多半在數十萬次開關左右；至於機械強度，由於磁簧開關裡面有會移動的接點，因此它並不適合應用在有震動的環境中，而且電極的彈片會有機械共振頻率，如果剛好有這個頻率的震動，只要很微小的振動就會導致磁簧開關完全無法工作。

因爲磁簧開關有著以上的缺點，在許多的磁性設計應用中，有另外一種磁性感測器可以使用：霍爾效應感測器。

霍爾效應

霍爾效應是由美國物理學家 Edwin Hall 在 1879 年發現的。他發現當導體中有電流流過時，如果對導體施加一個垂直於電流方向的磁場，會在另一個垂直於電流方向的軸線上產生電位差，如下圖所示：