【Maker電子學】磁性感應元件的原理與應用

作者:Bird

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:

(圖片來源:Bird 提供)

當電流流過一個導體時,在導體上平行於電流方向的各個位置會因爲導體的電阻效應而有電位差,但垂直於電流方向的同一個位置上,各點理論上不會有電位差;換句話中,圖中的 A 點和 B 點在一般的狀況下是不會有電位差的。

(圖片來源:Bird 提供)

如上圖,如果我們在這個導體附近加上一個磁場,由於帶電粒子在磁場中運動時會受力(稱之爲羅倫茲力)而偏移原本的運動路徑,導致在導體中載子的分佈在垂直方向變得不均勻,而使得 A 點和 B 點之間出現電位差。

這個電位差稱之爲「霍爾電壓」,這個電壓與磁場強度、電流大小以及導體在磁場方向的厚度有關。利用這個特性,當電流固定時,我們可以藉由測量電壓來得知磁場的大小與極性;當磁場固定時,我們可以藉由測量電壓來得知電流的大小和極性。

霍爾開關

最簡單的霍爾效應元件就是霍爾開關,它就像前面提過的磁簧開關一樣,當磁場強度超過一個臨界值時,它會導通或輸出一個訊號;但與磁簧開關不同的是,霍爾開關分成「單極性」與「雙極性」兩種。

  • 單極性霍爾開關

所謂單極性(unipolar)的霍爾開關,指的是它對磁極的南極或北極都有反應。我們以一顆常用的 Allegro A3211/A3212 單極性霍爾開關爲例來說明。

(圖片來源:Bird 提供)

A3211/A3212 是很常用的單極性霍爾開關,它對磁鐵磁極的南極或北極都會有反應;在它的 datasheet 中有說明要讓它動作的最低磁場強度:

(圖片來源:Bird 提供)

這裡的規格說明,用南極的磁鐵(也就是指北針朝北的那一端)要讓這顆開關打開,至少需要 37 高斯的磁場,而用北極的磁鐵(也就是指北針朝南的那一端)則需要 -40 高斯的磁場(磁通量單位的符號代表南北極,正的是南極、負的是北極)。

值得注意的是,這種開關通常會設計一個叫做「hysteresis」的特性,這個字本來是從磁性材料被磁化的特性來的,常常翻譯成「磁滯」,但現在很多電路都會模擬這樣的特性以避免開關電路在臨界點跳動。

以 A3211 來說,用南極磁鐵讓它導通的磁通量,若照 datasheet 上的說法是 37 高斯,意思是如果它到達 37 高斯就導通、不足 37 高斯就斷開,那麼若有一個磁鐵剛好在它附近造出一個在 36.99 高斯與 37 高斯之間抖動的磁場,這個開關就會一下子開一下子關,跟著磁場抖動。

這通常不是我們需要的結果,因此這種開關通常會將打開與關閉的臨界輸入設計成不同。以 A3211 爲例,用南磁極讓它導通的磁通量是 37 高斯,但導通後若要將它關閉,磁通量必須降到 31 高斯以下;換句話說,只要磁通量超過讓它打開的臨界點,它就會有一個傾向「鎖」再開的狀態,這就是爲了避免它的輸出在臨界值附近抖動。

單極性的霍爾開關動作的方式很接近磁簧開關,因此它很適合當作磁簧開關的替代品,而且因爲霍爾開關是固態的半導體零件,沒有機械壽命的問題,因此在可靠度和壽命等各方面都遠比磁簧開關優秀。事實上現在很多筆記型電腦的開蓋動作偵測都是由霍爾開關完成的,我們可以用磁鐵或磁顯片找到在鍵盤或 B 蓋上的磁鐵位置,當我們把筆電蓋上時,磁鐵就會靠近對應位置的霍爾開關,通知系統蓋子闔上了。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是我用磁顯片在微軟的 Surface Pro 鍵盤蓋右下角找到的磁鐵,如果你用磁鐵去吸機身上對應的位置,機器就會出現和把鍵盤蓋上一樣的行爲。

  • 雙極性霍爾開關

雙極性(bipolar)的霍爾開關通常是在接受正的磁通量(南磁極)時打開,接受負的磁通量(北磁極)時關閉。我們以一顆 TDK-Micronas 的 HAL1504 來做例子:

(圖片來源:Bird 提供)

HAL1504 是一顆雙極性的霍爾開關,它在南磁極的磁通量超過 7.6 mT,也就是 76 高斯時會開啟,而要到磁極反轉成爲北極,並且磁通量也超過 7.6 mT 時,才會關閉。這種特性的霍爾開關很適合搭配一些特殊的磁鐵來做編碼器;舉例來說,我們可以用 HAL1504 來感應一顆旋轉的磁鐵:

(圖片來源:Bird 提供)

當磁鐵的南磁極經過 HAL1504 時,HAL1504 就會開啟,而等到磁鐵的北磁極經過 HAL1504,HAL1504 就會關閉;換句話說,磁鐵每旋轉一圈,HAL1504 就會開關一次,這就是一個很簡單卻非常可靠的轉速偵測器。

小結

這次我們聊了最常用的兩種磁性感應元件:磁簧開關霍爾開關,並說明了它們的原理與相異之處。事實上霍爾元件由於可以直接感應磁場,它能做的事情遠比「開關」多得多,接下來有機會我們會再聊聊其它種類的霍爾元件,像是利用磁場變化感應角度、位置,以及利用霍爾效應做成的電流感測器等。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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